【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信システム等で使用される誘電体薄膜フィルターおよびその製造方法に関する。さらに詳しくは薄膜固定フィルターおよび薄膜波長可変フィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の高速通信網の整備にともなって、高速で大量の情報が伝送されるようになってきた。これを可能にする方法の一つとして波長多重光通信システム（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の開発が盛んに行われている。この波長多重光通信システムでは１本のグラスファイバーに複数の波長の光信号を重ねて伝送するものであり、このためにはグラスファイバーの前後に光合分波器を接続することが必要になる。本発明の誘電体薄膜フィルターは光合分波器を構成する狭帯域フィルター（ＮＢＰＦ：Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を始め、光通信システムで使用される種々の薄膜固定フィルターとして使用されるものである。一方、波長多重光通信システムでは１本のグラスファイバーから所望の波長の光信号を取り出したり、追加したりするためにＯｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ ＆ Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＯＡＤＭ）が必要とされる。このとき、従来は所望の波長の光信号の取り出しや追加にはセンター波長の決まった固定フィルターが使用されていた。本発明の薄膜波長可変フィルターも狭帯域フィルターの一種であるが、センター波長が可変となっている点が固定フィルターと異なる。センター波長が可変となることにより少数の波長可変フィルターを設けることにより、必要な波長の光だけに対して自由に光通信経路の変更ができるようになる（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ＯＡＤＭ）。また、波長可変フィルターはＯＡＤＭ用途以外にも、波長を選択的に取り出すことができることから光解析器や光信号モニターに広く使用される。
【０００３】
これらの薄膜フィルターはガラス基板上に高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜を交互に積層することにより数十層から三百層に及ぶ多層膜を形成し、その膜厚は数十μｍに達する。薄膜フィルターの構造例としては固定フィルターの例がある（例えば、特許文献１）。また、波長可変フィルターについてはその膜構造の例がある（例えば、特許文献２、特許文献３）。薄膜フィルターの基本的な構造は所望のセンター波長をもたせるために、光学膜厚がセンター波長の１／４波長の高屈折率誘電体層と、光学膜厚が１／４波長の低屈折率誘電体層を交互に積層したミラー層、および光学膜厚がセンター波長の１／２波長もしくはその整数倍のスペーサー層、および成膜基板、および反射防止膜から構成される。波長可変フィルターも基本的には固定フィルターと同様な膜構成になるが、膜厚がフィルター面内で変化する膜厚傾斜型のフィルターになっている点が異なる。薄膜フィルターを構成する各層の膜は１／１０，０００から１／１００，０００の膜厚精度が要求され、これらの層の膜厚や組合わせを薄膜フィルターの仕様に合せて調整することにより所望のセンター波長や急峻な裾野を持つ薄膜フィルターを作製することができる。
【０００４】
所望のセンター波長を持つ多層膜光学フィルターの一般的な作製方法は所望の波長の光を成膜中の基板に透過させ、透過光量をモニターしながら膜厚を判定して蒸着原料を交換しながら多層膜を形成する。このとき、透過光量は膜厚増加に伴って増減を繰り返すことが知られており、光量の増減は光学膜厚が１／４波長毎に生ずる。例えば、光学式の膜厚モニターに関するもので、透過率または反射率がピークを越えたとき蒸発を停止する方法がある（特許文献４）。これにより、１／４波長の光学膜厚を持つ膜を成膜することが可能になる。また、他の方法としては、光量のピークを予想するカーブフィッティングのソフトウエアを用いて正確にピークを検出し、成膜材料の切り替えを行うものも提案されている。
【０００５】
一般的な誘電体多層膜の成膜方法にはイオンアシスト蒸着法が採用されている。イオンアシスト蒸着法では前述の誘電体多層膜を構成する高屈折率材料および低屈折率材料をＥＢガン（電子銃）を用いて交互に蒸発させ、上記基板に成膜させる。このとき、同時にイオンガンを用いて酸素もしくはアルゴンと酸素の混合イオンを基板に照射し、蒸着粒子が基板上をマイグレーションすることを助ける。これにより、柱状組織になりやすい多層膜を充填密度の高い多層膜に改善することができる。成膜設備は可能な限り膜厚分布を良くした設計になっているが、前述したように、薄膜フィルターを構成する各層の膜は１／１０，０００から１／１００，０００の膜厚精度が要求されるため、成膜基板の全面に亘って所望のセンター波長、パスバンド、挿入損失等をもつ多層膜光学フィルターを作製することはできない。通常は基板の中央もしくは外周に沿った基板上の一部の領域から所望の薄膜固定フィルターを得ることができる。さらに、一般的には成膜時は肉厚の厚いガラス基板を用いるが、成膜後に切断、研磨作業を行うことにより標準的な薄膜固定フィルターの寸法である１．４×１．４×１．０ｍｍに仕上げることになる。薄膜フィルターのうち波長可変フィルターは、基板の半径方向に膜厚傾斜を持った多層膜を形成し、半径方向に切り出すことにより所望の波長可変フィルターを作製することができる（例えば、特許文献５）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１９７７２１号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】
特開平０６−２６５７２２号公報（第４〜５頁、図１、図４）
【特許文献３】
特開平１１−３２６６３３号公報（第５頁、図４）
【特許文献４】
特開昭６１−２９６３０５号公報（第２頁）
【特許文献５】
米国特許第５８７２６５５号明細書（ＦＩＧ．３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法で薄膜フィルターを作製する場合、膜厚精度が厳しいため、基板の一部しか活用できないことが最大の課題であった。ここで、成膜中の膜厚は光量モニターにより常時計測され、蒸着原料の切り替えにフィードバックされる。また、蒸着速度は上記光量モニターとは別に水晶式膜厚モニターを用いて計測され、電子銃のエミッション電流にフィードバックされて所望の蒸着速度で成膜を行うことができる。しかし、基板上の膜厚分布を１／１０，０００から１／１００，０００の精度で均一化することは極めて困難である。通常はあらかじめ高屈折率のＴａ酸化物（Ｔａ２Ｏ５）もしくはＮｂ酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）および低屈折率のＳｉ酸化物（ＳｉＯ２）の膜厚分布が平坦かつ両者の膜厚分布が一致するように成膜条件を調整する。しかしながら、成膜中の膜厚分布を詳細に調査した結果、膜厚分布は時々刻々と変化していることが明らかになった。このことは取りも直さず、成膜中に蒸着速度の分布が変化していることを示唆する。
【０００８】
蒸着速度分布が成膜中に変化する原因を究明した結果、原料を蒸発させるにしたがって、成膜開始時の原料の形状が次第に変化することが明らかになった。原料の形状の変化は特に昇華性の原料の場合に顕著であり、例えばＳｉＯ２では最初平坦であつた原料表面が成膜時間とともに蒸発により消耗し、最終的には傾いた原料表面になることもしばしば生じた。傾いた原料表面からは傾いた方向に原料が蒸発するため、蒸着速度分布が刻々と変化することになる。一方、Ｔａ２Ｏ５のような溶融性の原料の場合は溶融表面が重力もしくは表面張力で概ね水平に保たれるため、原料は消耗してもその表面形状を大きく変化させることはなかった。
【０００９】
光学式膜厚モニターを用いることにより、基板上のモニター位置における膜厚は正確に計測することができ、所望の特性をもつ薄膜フィルターを作製することが可能になるが、基板上でも光学式膜厚モニターの測定位置以外の場所では所望の特性をもつ薄膜フィルターを作製することはできなかった。従来は光学式膜厚モニターは基板上の一つの半径位置をモニターできるように設置されており、光学式膜厚モニターでモニターできる半径位置から数ｍｍ離れると、もはや所望の特性をもつ薄膜フィルターを得ることは困難であった。このとき、光学特性の劣化はセンター波長のシフトだけに留まらず、挿入損失、パスバンド、リップルにまで及んだ。このことは数十層から三百層に及ぶ多層膜全層の膜厚が基板半径に対し均一に変化しているのではなく、厚さ方向にも不均一に変化していることを示す。また、膜厚方向の不均一な変化は蒸着速度分布の経時変化に基づくことは明らかである。
【００１０】
したがって、本発明は薄膜フィルター製造装置内の蒸着速度分布を制御する方法を提供し、これにより一度の成膜で特性仕様を満たす薄膜固定フィルターが得られる有効領域を増大させた薄膜フィルター製造装置を提供する。また、本発明は基板半径方向に膜厚分布を傾斜させる方法を提供し、これにより高性能の薄膜波長可変フィルターを得ることができる薄膜フィルター製造装置を提供する。さらに本発明は上記方法で形成した薄膜固定フィルター基板および薄膜波長可変フィルター基板を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは薄膜フィルター製造装置および製造方法に関して、詳細な検討を行った結果、一度の成膜において製造できる特性仕様を満たす薄膜固定フィルターの基板上の有効領域が成膜中の膜厚分布を均一に制御することにより増大することを明らかにした。また、薄膜波長可変フィルターの製造では成膜中、膜厚分布を所定の傾斜分布に制御することにより高性能の薄膜波長可変フィルターが得られることを明らかにした。このとき、成膜中の膜厚分布は光学式膜厚モニターを用いて回転基板上の２ヵ所以上の半径位置で計測した膜厚から求め、これをフィードバックして回転基板と蒸着源の間に挿入した膜厚分布補正板の幅を制御することにより膜厚分布の制御が行えることを明らかにした。具体的には光学式膜厚モニターのうち高価な白色光源や分光器、もしくは波長可変光源やパワーメーターは一式具備すればよく、多層膜の層間で光ビームを切り替えて２ヵ所の半径位置の膜厚をモニターすれば良い。また、直接、膜厚を計測する必要はなく、間接的に光ビームの光量が極大を持つ波長を計測すれば良い。この波長は膜厚に比例した値になる。
【００１２】
したがって、本発明は白色光源と分光器を各一式、もしくは波長可変光源とパワーメーターを各一式具備し、回転基板の異なる２ヵ所以上の半径位置に光ビームを透過させる切り替え機構を具備した薄膜フィルター製造装置を提供する。また、複数の層から構成される薄膜フィルターの層間で２ヵ所の半径位置における光量が極大となる波長を計測し、それを比較し、波長差が無くなるように基板上の半径方向の膜厚分布を制御する薄膜固定フィルター製造装置を提供する。さらに２ヵ所以上の半径位置における光量が極大となる波長を比較し、所望の波長差になるように基板上の半径方向の膜厚分布を制御する薄膜波長可変フィルター製造装置を提供する。ここで、膜厚分布を制御する方法が膜厚分布補正板の幅を変化させる方法である薄膜フィルター製造装置を提供する。
【００１３】
本発明の方法を用いた結果、蒸発による原料の表面形状変化に基づく膜厚分布の変化だけでなく、イオンガンから照射されるイオン電流密度の経時変化に基づく膜厚分布の変化や真空チャンバー内のガス圧変動に基づく膜厚分布の変化も併せて制御可能になる。この結果、従来は光学式膜厚モニターが設置された半径位置近傍の狭い領域だけが有効領域であり、有効領域からはずれるとセンター波長、挿入損失、パスバンド、リップル等が仕様を満足しなかったが、本発明によりセンター波長は多少シフトしても挿入損失、パスバンド、リップル等の劣化は減少し、薄膜固定フィルターが得られる有効領域を拡大することができた。また、従来はパスバンドの狭い薄膜波長可変フィルターしか得られなかったが、本発明により傾斜膜の膜厚分布精度が向上し、パスバンドの広い薄膜波長可変フィルターを得ることが可能になった。したがって、高性能で生産性の高い薄膜フィルター製造装置を開発することができた。
【００１４】
［１］ 本発明の薄膜フィルターの製造方法は、回転基板上に形成する膜の異なる２ヵ所以上の半径位置に、白色光ビーム或いは特定波長光を切り替えて投光して透過させる光学機構、前記膜の透過光によって特定波長の光量を検知する手段を具備し、前記検知する光量に基づいて前記膜厚分布を制御することを特徴とする。特に、基板上の半径方向の膜厚分布を制御することが望ましい。
ここで、前記膜を透過する光ビームの光量とは、望ましくは特定波長の光量を検知する。光ビームを発生させる光源としては、白色光源と分光器を各一式、もしくは波長可変光源とパワーメーターを各一式具備することが望ましい。
ここで、白色光源と分光器を各一式、もしくは波長可変光源とパワーメーターを各一式は薄膜フィルター製造装置内に具備される回転基板上に成膜される高屈折率材料や低屈折率材料の光学膜厚をモニターするために使用される。
また、２ヵ所以上の半径位置で膜厚をモニターするためには上記光源や分光器等を半径位置の数だけ必要とするが、本発明の光ビーム切り替え機構を設けることにより光源系統や分光器を一式使用するだけで光路を切り替えて複数の半径位置で膜厚をモニターすることが可能になる。また、モニターした結果に基づいて基板上の半径方向の膜厚分布を制御し、所望の膜厚分布を得ることが可能になる。
より詳細には、本発明に係る製造方法は、回転基板上に形成する膜の異なる２ヶ所以上の半径位置に、白色光ビーム或いは特定波長光を切替えて投光して透過させ、前記膜の透過光によって特定波長の光量を検知し、前記検知する光量に基づいて前記膜の膜厚分布を制御することを特徴とする。特に基板上の半径方向における膜厚分布を制御するものである。
【００１５】
［２］ 上記［１］の薄膜フィルターの製造方法は、２ヵ所以上の半径位置で光ビームを切り替えながら常時光量を計測し、各半径位置の光量差が生じないように基板上の半径方向の膜厚分布を制御することを特徴とする。
ここで、各半径位置の光量差は常にフィードバックされ、光量差が生じないように基板上の半径方向の膜厚分布を常時制御することができる。
【００１６】
［３］ 上記［２］の薄膜フィルターの製造方法は、２ヵ所以上の半径位置で光ビームを切り替えながら常時光量を計測し、各半径位置の光量差が生じないように膜厚分布を制御する方法において、２ヵ所以上の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とすることにより、波長可変フィルタを形成することを特徴とする。
ここで、２ヵ所以上の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とすることにより、各半径位置では異なる波長に対する薄膜フィルターが正確に形成され、すなわち、膜厚傾斜を有する薄膜波長可変フィルターを形成することが可能になる。波長差を持たせるには、白色光を透過し、分光器で特定波長差を検出する方法、もしくは波長可変光源により波長差を持たせる方法等がある。
【００１７】
［４］ 上記［１］に記載の薄膜フィルターの製造方法は、２ヵ所以上の半径位置で光ビームを切り替えながら常時光量を計測し、各半径位置の光量が極大もしくは極小となる時刻を予測し、予測時刻を比較して時刻差が無くなるように基板上の半径方向の膜厚分布を制御することを特徴とする。
ここで、光ビームの光量は基板上に高屈折率材料や低屈折率材料の薄膜が形成されると、薄膜の光学膜厚が透過する光ビームの波長の１／４に達する毎に増減を繰り返す性質がある。薄膜フィルターの基本膜構成は１／４波長の高屈折率膜と１／４波長の低屈折率膜の積層体であることから、薄膜を透過する光ビームの光量の増減を監視し、光量の山もしくは谷で原料を交換すれば薄膜フィルターが形成される。したがって、２ヵ所以上の半径位置における光量が極大もしくは極小となる予測時刻は基板上の膜厚分布が均一な場合は同時刻となる。しかし、膜厚分布が存在すれば時刻差が生じるのでこれを無くすように膜厚分布を制御すれば良い。なお、“無くなるように”とは、時刻差を低減するように制御することに相当する。必ずしも完全にゼロにすることのみに限定されるものではない。
【００１８】
［５］ 上記［４］に記載の薄膜フィルターの製造方法は、２ヵ所以上の半径位置における光量が極大もしくは極小となる予測時刻を比較し、時刻差が無くなるように基板上の半径方向の膜厚分布を制御する方法において、２ヵ所以上の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とすることにより、波長可変フィルターを形成を特徴とする。
ここで、２ヵ所以上の半径位置における光量が極大もしくは極小となる予測時刻を計測する際、各々の半径位置ごとに異なる光ビームの波長を用いれば、その波長の１／４に相当する光学膜厚の薄膜を形成することができる。すなわち、各半径位置で所望の波長差を持つ異なる波長で光量の極大もしくは極小を計測すれば、膜厚分布の存在する、つまり膜厚傾斜のある、薄膜波長可変フィルターを形成することが可能になる。
【００１９】
［６］ 上記［１］に記載の薄膜フィルターの製造方法は、複数の層から構成される薄膜フィルターの層間で２ヵ所以上の半径位置における光ビームの光量を計測する際、光ビームは蒸着源交換制御用モニターの波長より０．１〜１．０ｎｍ長波長とし、各半径位置における光ビームの光量を比較し、光量差が無くなるように基板上の半径方向の膜厚分布を制御することを特徴とする。
ここで、２ヵ所以上の半径位置において光量を計測する波長が常時膜厚をモニターする波長より０．１〜１．０ｎｍ長波長である理由は、膜厚分布が存在して、ある半径位置で１／４波長を越えた場合でも光量が極大もしくは極小をとらず、単調増加もしくは単調減少となるようにするためである。もし、光量が極大もしくは極小を越えると膜厚が１／４波長より厚いか、薄いか区別ができなくなる。なお、薄膜フィルターの層間とは、薄膜フィルターを構成する各層を成膜する毎に、２ヶ所以上の半径位置で光ビームの光量を計測することを意味する。
【００２０】
［７］ 上記［６］に記載の薄膜フィルターの製造方法は、薄膜フィルターの層間で２ヵ所以上の半径位置において光ビームの光量を計測する際、光ビームが蒸着源交換制御用モニターの波長より０．１〜１．０ｎｍ長波長であり、かつ所望の波長差を持つ異なる値であり、各半径位置における光ビームの光量を比較し、光量差が無くなるように基板上の半径方向の膜厚分布を制御することにより、波長可変フィルタを形成することを特徴とする。
ここで、各半径位置で計測に使用する波長が所望の波長差を持つように膜厚分布を制御すれば、膜厚傾斜のある薄膜波長可変フィルターを形成することが可能になる。なお、光ビームの波長を所望の波長より０．１〜１．０ｎｍ長波長とする理由は光量が単調増加もしくは単調減少となるようにするためである。なお、薄膜フィルターの層間とは、薄膜フィルターを構成する各層を成膜する毎に、２ヶ所以上の半径位置で光ビームの光量を計測することを意味する。
【００２１】
［８］ 上記［１］乃至［７］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法は、基板上の半径方向の膜厚分布を制御する方法が膜厚分布補正板の幅を変化させる方法であることを特徴とする。
ここで、従来の膜厚分布補正板はあらかじめ成膜前に必要な膜厚分布になるように補正板の幅を調整し、成膜中は幅が固定されたものであるが、本発明の補正板は常時幅を変化させることが可能であり、成膜中も膜厚モニターからフィードバックされた信号によって制御することができる。
補正板の幅を変化させる方法以外に、蒸着源の蒸着速度を変えて膜厚分布を制御する方法や、イオンガンの条件を変えて膜厚分布を制御する方法を用いることもできる。蒸着源の蒸着速度を変える方法としては、電子銃を動作させるパラメータを変更すること等が挙げられる。イオンガンの条件は、電流や電圧の値などである。これらの方法のうち、補正板の幅を変化させる方法を用いることが、膜厚分布の精度を高める上で最も好ましい。
【００２２】
上記［８］に記載の薄膜フィルターの製造方法は膜厚分布補正板の幅を変化させる方法がステッピングモーターを使用する方法であることを特徴とする。
ここで、ステッピングモーターを用いることにより補正板の幅を変化させる際の幅精度を向上することが可能になる。
【００２３】
［９］ 上記［１］乃至［８］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法は、異なる半径位置に光ビームを切り替えるために光スイッチを使用することを特徴とする。
ここで、光スイッチは機械式、導波路式等種々の方式があるが、いずれも使用可能である。
【００２４】
［１０］ 本発明の薄膜フィルターの製造方法は、回転基板上に形成する膜の異なる２ヵ所以上の半径位置に、光ビームを切り替えて投光して透過させ、、
前記膜を透過する光ビームの光量に基づいて、前記膜の膜厚分布を制御することを特徴とする。特に、基板上の半径方向の膜厚分布を制御することが望ましい。
【００２５】
［１１］ 本発明の薄膜フィルターの製造装置は、回転基板上に形成する膜の異なる２ヶ所以上の半径位置に、白色光ビーム或いは特定波長光を切替えて投光して透過させる光学機構、前記膜の透過光によって特定波長の光量を検知する手段を具備し、
前記検知する光量に基づいて前記膜の膜厚分布を制御することを特徴とする。
この製造装置は、特に基板上の半径方向における膜厚分布を制御する手段を具備する。さらに、上記本発明の製造方法に係る要件を達成するための手段を設けることによって、各々の製造方法に合った製造装置を構成することができる。
【００２６】
［１２］ 上記［２］、［４］または［６］に記載の薄膜フィルター製造方法で製造した薄膜フィルター基板は、センター波長の変化幅が半径１０ｍｍ以上に亘って０．１ｎｍ以下であることを特徴とする。
ここで、薄膜固定フィルターのセンター波長は一般的に±０．１ｎｍ、すなわち０．２ｎｍ以下の変化幅に入れることが必要とされる。センター波長は膜厚分布に直接影響を受けるため、普通は基板の中央部の膜厚の均一な領域が固定フィルターの有効領域として使用される。しかし、本発明では基板外周を有効領域としても半径１０ｍｍ以上に亘って０．１ｎｍ以下のセンター波長の変化幅を持つ固定フィルター基板を得ることができる。
【００２７】
［１３］ 上記［３］、［５］または［７］に記載の薄膜フィルターの製造方法で製造した１００ＧＨｚに対応する波長可変フィルターは、−０．５ｄＢのパスバンドが０．４ｎｍ以上であることを特徴とする。
ここで、一般的な薄膜波長可変フィルターは約２０ｍｍの長さの短冊状の基板に膜厚傾斜した薄膜フィルターを形成したものである。膜厚傾斜と短冊状の長さが長いことが原因となり、−０．５ｄＢのパスバンドを０．３ｎｍ以上に改善することは困難であった。本発明により傾斜膜の膜厚分布を精密に制御することが可能となり、−０．５ｄＢのパスバンドを０．４ｎｍ以上とすることが可能になった。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明を実施例に基づき詳しく説明する。なお、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
（実施例１）
薄膜フィルターは次の工程で製造した。裏面に反射防止膜４を形成した板厚が７ｍｍの洗浄ガラス基板を成膜基板３として成膜装置に装填し、真空度を６．７×１０−４Ｐａ（≒約５×１０−６Ｔｏｒｒ）以下に排気した後、成膜を開始した。ガラス基板の板厚は、例えば５〜１２ｍｍの範囲内のものを用いることができる。本実施例で作製した薄膜フィルターは図１に示すＤＷＤＭ用狭帯域フィルター（ＮＢＰＦ）であり、その基本構造はミラーになる１／４波長積層体１と、スペーサーになる１／２波長もしくはその整数倍層２を積層数＝１５８層で積層した。なお、積層数は百数十層から三百数十層の範囲で変えることができる。
【００２９】
ここで、ミラーになる１／４波長積層体１はＴａ酸化物（Ｔａ２Ｏ５）もしくはＮｂ酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）からなる光学膜厚が１／４波長の高屈折率誘電体層と、Ｓｉ酸化物（ＳｉＯ２）からなる光学膜厚が１／４波長の低屈折率誘電体層を交互に積層した構造である。また、スペーサーになる１／２波長もしくはその整数倍層２はＳｉ酸化物からなる光学膜厚が１／２波長もしくはその整数倍の低屈折率誘電体層、あるいはＴａ酸化物もしくはＮｂ酸化物からなる光学膜厚が１／２波長もしくはその整数倍の高屈折率誘電体層である。なお、図１の断面図は、連続した積層回数が多いため、途中の積層状態の図示を省略した。
【００３０】
誘電体多層膜の成膜には、薄膜フィルター製造装置として、図２の断面図に示すイオンアシスト蒸着装置を用いた。イオンアシスト蒸着装置では、チャンバー内で前述の誘電体多層膜を構成する高屈折率材料および低屈折率材料をリング状の蒸着源ハース６内に装填し、電子銃５から電子線を照射することにより両原料を交互に蒸発させ、蒸着源シャッター７と基板シャッター９を開き、ガラス基板８に成膜させた。このとき、同時にアシスト用のイオンガン１２を用いて酸素イオンもしくはアルゴンと酸素の混合イオンをガラス基板８に照射し、蒸着粒子がガラス基板８上をマイグレーションすることを助けた。これにより、柱状組織になりやすい多層膜を充填密度の高い多層膜に改善することができた。本実施例ではイオンガン１２の加速電圧を５００〜９００Ｖとし、均一で充填密度の高い薄膜フィルター膜を得ることができた。
【００３１】
図２では、電子線の軌道を太い点線で表し、原料の蒸発する向きを細い点線で表した。ガラス基板８を保持する部材は、高速基板回転モーター１１により回転させた。誘電体多層膜を構成する各々の誘電体膜の厚さは、水晶式膜厚モニター１０で測定した。ガラス基板８上に形成された多層膜の厚さは、光学式膜厚モニター投光部１３から照射された光を、多層膜を成膜したガラス基板を透過させ、透過光を光学式膜厚モニター受光部１４で受けることにより、測定した。図２のチャンバーの右側（白抜き矢印で示した側）には真空排気装置を接続しているが、その図示は省略した。
【００３２】
図３は、薄膜フィルター製造装置で用いる光学式膜厚モニターを示す概略図である。光学式膜厚モニターは白色光源と分光器を用いた構成例である。成膜中の膜厚は図３に示すように、ハロゲンランプ２２の白色光を光ビーム切り替え機構２３−１および光学式膜厚モニター投光部１３―１、１３−２を介して成膜中の多層膜及び高速回転しているガラス基板８に透過させ、透過光を光学式膜厚モニター受光部１４−１、１４−２および光ビーム切り替え機構２３−２を介し、さらに光ファイバ１８を介して分光器１９（光を分光し、波長毎の光強度を電気信号に変換し、光量を検出するもの）で測定することにより、モニタリングを行った。ここで、光ビーム切り替え機構を動かすと、光源や分光器が一式でも２か所以上の半径位置へ光ビームを移動することができ、異なる半径位置の光量をモニターすることが可能になる。光量演算・制御用コンピューター２０は、分光器１９の電気信号を入力してモニターを行うと共に、ハロゲンランプに接続したランプ用電源２１を制御するものである。さらに、光量演算・制御用コンピューター２０は、蒸着源１６において、リング状の蒸着源ハースや電子銃を制御するが、それらとの接続状態の図示は省略した。また、白色光源と分光器の組合わせの他、波長可変光源とパワーメーターの組合わせでも同様に成膜中の多層膜及び高速回転しているガラス基板８に光ビームを透過させ、透過光量を検出することができる。
【００３３】
具体的には、透過光は多層膜の一層の光学的膜厚が１／４波長毎に透過と反射を繰り返すため、透過光の光量をモニターすることにより、光量の極大値もしくは極小値から１層の膜の終点を検知し、蒸着原料を交換することにより交互に高屈折率膜と低屈折率膜を製膜した。このとき、各層の膜厚を高精度に検出し、原料交換を制御することにより、所望の薄膜フィルターを作製することができた。
【００３４】
薄膜フィルターを安定に生産するためには図３に示したように、ガラス基板８を透過する白色光を２系統以上とすることが好ましい。すなわちガラス基板８の半径方向に誘電体多層膜の膜厚を均一に制御して薄膜フィルターを生産する場合も、半径方向に誘電体多層膜の膜厚を傾斜するように制御して薄膜波長可変フィルターを生産する場合も、２つ以上の半径位置で膜厚をモニターすることが望ましい。さらに、この２つの光学式膜厚モニターから出力した信号をフィードバックし、ガラス基板８と蒸着源１６の間に挿入した膜厚分布補正板１７の形状を変化させることにより、さらに高精度の均一膜や傾斜膜を基板上に形成することが可能になる。
【００３５】
本実施例の薄膜フィルター製造装置では、成膜中に２か所以上の半径位置で光学式膜厚モニターの光ビームを透過し、透過光量を測定した。図４は従来の光ビームが１系統の場合の膜厚分布の例を示す模式図である。また、図５は本発明の２系統の光ビームを用いた場合の膜厚分布を示す模式図である。各半径位置の透過光量は光スイッチを使用した光ビーム切り替え機構を用いて常時もしくは必要に応じて光ビームを切り替え、各半径位置の透過光量をモニターした。このとき、光量モニターの内の一つ、例えば光量モニター１は蒸着源交換制御用モニターとし、常に光量をモニターし、光量変化からこの半径位置の光量が極大値もしくは極小値に達する時刻を演算し、その時刻を予測した。この予測時刻に達した時、蒸着原料を切り替え、誘電体多層膜を形成した。さらに、他の光量モニター、例えば光量モニター２は膜厚分布制御用モニターとし、蒸着源交換制御用モニターのモニター値との差を求め、この差を減少する方向に膜厚分布を制御した。
【００３６】
図６には光量モニターが示す光量変化を計算機シミュレーションにより表示した結果を示す。図は１キャビティのフィルターを成膜する場合の結果であるが、各多層膜の光学膜厚がモニター波長の１／４に達すると光量は極大値もしくは極小値を取る。この点で蒸着原料を切り替え、次の層の形成を開始する。再び光量が極大値もしくは極小値を取ると蒸着原料を切り替えて、次の層の成膜に移る。多キャビティの場合はこの１キャビティの光量変化を繰り返すことになる。このようにして形成した多キャビティの薄膜フイルターはモニター波長と同等のセンター波長を有することになる。
【００３７】
図７は半径位置１を蒸着源交換制御用モニターとし、半径位置２を膜厚分布制御用モニターとした場合の膜厚分布制御アルゴリズムを示したものである。簡単のために２箇所の半径位置にモニターがあるものとして説明する。また、本実施例では半径位置１は半径５０ｍｍ、半径位置２は半径１２０ｍｍに設定した。半径位置１では光量変化から多項式近似や光量変化の微分値を利用して光量の極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。並行して半径位置２でも光ビームを切り替えることにより光量を常にモニターし、半径位置１の光量との差を算出する。この光量差を減少させる方向に分布補正板の幅を調整するように指示を出し、半径位置１と半径位置２の膜厚を同等になるように制御した。この結果、半径位置１と半径位置２の間の半径では均一な膜厚分布が得られた。すなわち、図１０に示すように、得られたフィルター基板は半径位置１と半径位置２の間ではセンター波長の変化幅が半径７０ｍｍ以上に亘って０．５ｎｍ以下、また半径１０ｍｍ以上に亘って０．１ｎｍ以下であった。このとき、各半径位置における光量の検出は少なくとも毎秒１回行うことが望ましかった。
【００３８】
得られたフィルター基板は裏面を研磨し、板厚１ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、１．４ｍｍ角のフィルターチップに切断加工した。この結果、本発明の方法および装置を用いることにより、所望のセンター波長を有する薄膜フィルターが形成でき、その収量は光量モニターが一式の従来法に比べ格段に増加した。
【００３９】
図７に示した膜厚分布の制御方法において、半径位置１でモニターする光ビームの波長と半径位置２でモニターする光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とした。すなわち、半径位置１では光量変化から多項式近似や光量変化の微分値を利用して光量の極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。並行して半径位置２では光ビームを切り替えると同時にモニター波長も切り替え、半径位置１と異なる波長で光量を常にモニターし、半径位置１の光量との差を算出する。この光量差を減少させる方向に分布補正板の幅を調整するように指示を出し、半径位置１と半径位置２の膜厚を制御した。図１１は作製した薄膜フィルターの側面図を示す。この図では薄膜フィルター２６と反射防止膜２５の膜厚をガラス基板２４に比較して拡大して図示している。薄膜フィルターを透過する光ビームの分光特性は薄膜の膜厚に比例してセンター波長が変化する。この結果、図に示すように、半径位置１では半径位置１のモニター波長をセンター波長とする薄膜フィルターが得られ、半径位置２では半径位置２のモニター波長をセンター波長とする薄膜フィルターが得られた。また、半径位置１と半径位置２の間の半径位置では両者の間のセンター波長を有する薄膜フィルターが得られた。したがって、所望の半径位置を選択することにより所望のセンター波長を持つチャンネルを選ぶことが可能になった。図中、矢印は光量モニター１、２の光ビーム２７、２８の透過方向を表す。
【００４０】
半径５０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を６．４ｎｍとして作製した薄膜フィルター基板を裏面研磨し、板厚１ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、１．４ｍｍ角のフィルターチップに切断加工した。得られたフィルターチップは１００ＧＨｚ対応フィルターであり、波長ピッチ０．８ｎｍ間隔で８チャンネル分のセンター波長を含む薄膜フィルターを得ることができた。すなわち、異なる半径位置毎に異なるセンター波長を有する薄膜フィルターを形成することができ、１真空バッチで同時に８チャンネル分の薄膜フィルターを作製することができた。
【００４１】
半径９０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を３５ｎｍとして作製した薄膜フィルター基板を裏面研磨し、板厚２ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、幅５ｍｍ、長さ３５ｍｍのフィルターチップに切断加工した。ここで半径方向がフィルターの長手方向になるように切断した。得られた薄膜フィルターは１００ＧＨｚ対応波長可変フィルターであり、長さ３０ｍｍの間で３５ｎｍのセンター波長差を有する。図１２には得られた薄膜波長可変フィルターの分光特性の例を示す。図は１００ＧＨｚ対応波長可変フィルターを示し、−０．５ｄＢのパスバンドが０．４ｎｍ以上のフラットトップな薄膜波長可変フィルターが得られた。図１３にはこの薄膜波長可変フィルターを用いて作製した波長可変フィルターモジュールの一例を示す。波長可変フィルターモジュールは入力ポート２９、ドロップポート３０、反射光の出力ポート３１、ステッピングモーター３２、波長可変フィルター３３、駆動系３４を具備し、入力ポート２９から入射した光ビームは波長可変フィルター３３を介して所望のチャンネル（波長）をドロップポート３０へ出力する。一方、所望のチャンネル以外の波長を持つ光ビームは全て波長可変フィルター３３で反射されて反射光の出力ポート３１へ出射される。このとき、ステッピングモーター３２を稼動させ、駆動系３４を介して波長可変フィルター３３を移動させることにより、チャンネルを切り替えることができる。ここではいわゆる３ポート型の波長可変フィルターモジュールを示した。
【００４２】
（実施例２）
実施例１において、薄膜フィルターを次の方法および装置で作製した。すなわち、図８は半径位置１を蒸着源交換制御用モニターとし、半径位置２を膜厚分布制御用モニターとした場合の膜厚分布制御アルゴリズムを示したものである。簡単のために２箇所の半径位置にモニターがあるものとして説明する。また、本実施例では半径位置１は半径５０ｍｍ、半径位置２は半径１２０ｍｍに設定した。半径位置１では光量変化から多項式近似や光量変化の微分値を利用して光量の極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。並行して半径位置２でも光ビームを切り替えることにより光量を常にモニターし、半径位置１と同様に光量変化から多項式近似や光量変化の微分値を利用して光量の極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測した。半径位置２における予測時刻と半径位置１の指示で実際に蒸着原料を切り替える時刻との差を算出し、この時刻差を減少させる方向に分布補正板の幅を調整するように指示を出し、半径位置１と半径位置２の膜厚を同等になるように制御した。この結果、半径位置１と半径位置２の間の半径では均一な膜厚分布が得られた。すなわち、得られたフィルター基板は半径位置１と半径位置２の間ではセンター波長の変化幅が半径７０ｍｍ以上に亘って０．５ｎｍ以下、または半径１０ｍｍ以上に亘って０．１ｎｍ以下であった。このとき、各半径位置における光量の検出は少なくとも毎秒１回行うことが望ましかった。
【００４３】
得られたフィルター基板は裏面を研磨し、板厚１ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、１．４ｍｍ角のフィルターチップに切断加工した。この結果、本発明の方法および装置を用いることにより、所望のセンター波長を有する薄膜フィルターが形成でき、その収量は光量モニターが一式の従来法に比べ格段に増加した。また、１００ＧＨｚ対応フィルターでは０．４５ｎｍ以上のパスバンドを持つフラットトップな薄膜フィルターが得られた。
【００４４】
図８に示した膜厚分布の制御方法において、半径位置１でモニターする光ビームの波長と半径位置２でモニターする光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とした。すなわち、半径位置１では光量変化から多項式近似や光量変化の微分値を利用して光量の極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。並行して半径位置２では光ビームを切り替えると同時にモニター波長も切り替え、半径位置１と異なる波長で光量を常にモニターし、半径位置１と同様に蒸着原料を切り替える時刻を予測した。半径位置２における予測時刻と半径位置１の指示で実際に蒸着原料を切り替える時刻との差を算出し、この時刻差を減少させる方向に分布補正板の幅を調整するように指示を出し、半径位置１と半径位置２の膜厚を制御した。薄膜フィルターを透過する光ビームの分光特性は薄膜の膜厚に比例してセンター波長が変化する。この結果、半径位置１と半径位置２の間では各々のモニター波長の間のセンター波長を有する薄膜フィルターが得られた。したがって、所望の半径位置を選択することにより所望のセンター波長を持つチャンネルを選ぶことが可能になった。
【００４５】
半径５０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を６．４ｎｍとして作製した薄膜フィルター基板を裏面研磨し、板厚１ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、１．４ｍｍ角のフィルターチップに切断加工した。得られたフィルターチップは１００ＧＨｚ対応フィルターであり、波長ピッチ０．８ｎｍ間隔で８チャンネル分のセンター波長を含む薄膜フィルターを得ることができた。すなわち、異なる半径位置毎に異なるセンター波長を有する薄膜フィルターを形成することができ、１真空バッチで同時に８チャンネル分の薄膜フィルターを作製することができた。
【００４６】
半径９０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を３５ｎｍとして作製した薄膜フィルター基板を裏面研磨し、板厚２ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、幅５ｍｍ、長さ３５ｍｍのフィルターチップに切断加工した。ここで半径方向がフィルターの長手方向になるように切断した。得られた薄膜フィルターは１００ＧＨｚ対応波長可変フィルターであり、長さ３０ｍｍの間で３５ｎｍのセンター波長差を有した。この薄膜波長可変フィルターを用いて実施例１と同様に波長可変フィルターモジュールを作製し、波長可変特性を確認した。図１４には本実施例の波長可変フィルターモジュールのドロップポート３０から出射した光ビームの分光特性を測定し、そのセンター波長をステッピングモーター３２を稼動するポテンショメーターの電圧に対してプロットした例を示す。図から明らかなように、ポテンショメーターの電圧が増加するに伴って、センター波長は単調に増加し、ドロップポート３０から出力される光ビームのセンター波長、すなわちチャンネルが連続的に切り替えられることを示した。
【００４７】
（実施例３）
実施例１において、薄膜フィルターを次の方法および装置で作製した。すなわち、図９は半径位置１を蒸着源交換制御用モニターとし、半径位置２を膜厚分布制御用モニターとした場合の膜厚分布制御アルゴリズムを示したものである。簡単のために２箇所の半径位置にモニターがあるものとして説明する。また、本実施例では半径位置１は半径５０ｍｍ、半径位置２は半径１２０ｍｍに設定した。半径位置１では光量変化から多項式近似や光量変化の微分値を利用して光量の極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。半径位置２では形成している多層膜の層間で光ビームを切り替えることにより光量をモニターし、半径位置１と光量を比較し、光量差を求めた。この光量差を減少させる方向に分布補正板の幅を調整するように指示を出し、半径位置１と半径位置２の膜厚を同等になるように制御した。ただし、この方法では半径位置１が極大値もしくは極小値に達して蒸発を停止し、蒸着源の交換を指示しても、半径位置２では極大値もしくは極小値に達する前であるか、達した後であるかの区別がつかない。したがって、ここでは蒸着源交換制御用のモニター波長よりも０．１から１．０ｎｍ長波長のモニター波長を用いて半径位置１および半径位置２の光量を計測し、半径位置１と半径位置２の光量差を求めた。こうすることにより、光量変化は単調増加もしくは単調減少の領域に入り、単純に両者の光量を比較することが可能になった。この結果、半径位置１と半径位置２の間の半径では均一な膜厚分布が得られた。すなわち、得られたフィルター基板は半径位置１と半径位置２の間ではセンター波長の変化幅が半径７０ｍｍ以上に亘って０．５ｎｍ以下、または半径１０ｍｍ以上に亘って０．１ｎｍ以下であった。なお、膜厚分布の制御は実施例１や実施例２と異なり、常時分布補正板を制御することはできず、層毎に制御することになった。すなわち、具体的な制御指示は同じ材料である次々層に対して実施した。
【００４８】
図９に示した膜厚分布の制御方法において、多層膜の層間で光量をモニターする際、半径位置１でモニターする光ビームの波長と半径位置２でモニターする光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とした。すなわち、半径位置１と半径位置２の光ビームの波長は蒸着源交換制御用モニター波長より０．１から１．０ｎｍ長波長のモニター波長を用い、さらに所望の波長差をもつ異なる値とした。この方法で半径位置１と半径位置２の光量差を求め、この光量差を減少させる方向に分布補正板の幅を調整するように指示を出し、半径位置１と半径位置２の膜厚を制御した。薄膜フィルターを透過する光ビームの分光特性は薄膜の膜厚に比例してセンター波長が変化する。この結果、半径位置１と半径位置２の間では各々のモニター波長の間のセンター波長を有する薄膜フィルターが得られた。したがって、所望の半径位置を選択することにより所望のセンター波長を持つチャンネルを選ぶことが可能になった。
【００４９】
半径５０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を６．４ｎｍとして作製した薄膜フィルター基板からは１００ＧＨｚ対応薄膜フィルターを８チャンネル分得ることができた。すなわち、１真空バッチで同時に８チャンネル分の薄膜フィルターを作製することができた。
【００５０】
半径９０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を３５ｎｍとして作製した薄膜フィルター基板を半径方向がフィルターの長手方向になるように切断した。得られた薄膜フィルターは１００ＧＨｚ対応波長可変フィルターになり、長さ３０ｍｍの間で３５ｎｍのセンター波長差を有した。
【００５１】
上記実施例では膜厚分布を制御するために膜厚分布補正板を使用した。図１５には膜厚分布補正板の一例を示す。補正板は少なくとも固定補正板３５と可変補正板３６から構成され、先端を回転軸３７として基板の中心を向き、補正板の手元ではステッピングモーター３９に接続されたボールギヤ３８により可変補正板３６が動く。この結果、補正板の幅は変化し、所望の膜厚分布を得ることが可能になった。補正板の可変機構は本実施例に限ることは無く、例えばピエゾ素子を利用しても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明した通り、この発明に係る薄膜フィルター製造方法および装置は、フィルター基板の幅広い半径位置に亘って高性能かつセンター波長の揃った薄膜フィルターを提供する。この結果、１真空バッチあたりの収量を従来法に比較して格段に増加した。さらに、所望の異なるモニター波長を用いることにより、半径方向に膜厚傾斜のある薄膜フィルターを作製でき、１真空バッチで複数チャンネルの薄膜フィルターを生産することが可能になった。さらに、この膜厚傾斜を持つ薄膜フィルターは薄膜波長可変フィルターになり、パスバンドの広いフラットトップ特性を有する高性能な薄膜波長可変フィルターを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】多キャビティのバンドパスフィルターを構成する誘電体多層膜構造を示す断面図である。
【図２】本実施例で使用した多層膜光学フィルター形成装置を示す断面図である。
【図３】本実施例で使用した光学式膜厚モニターの構成を示す概略図である。
【図４】従来法における光量モニター一式で制御した場合の膜厚分布を示す模式図である。
【図５】本実施例で使用した光量モニター２式で制御した場合の膜厚分布を示す模式図である。
【図６】１キャビティフィルターを成膜するとき、光量モニターが示す光量変化を計算機シミュレーションにより表示した結果を示す図である。
【図７】本実施例で使用した膜厚制御アルゴリズムを示す説明図である。
【図８】本実施例で使用した他の膜厚制御アルゴリズムを示す説明図である。
【図９】本実施例で使用した他の膜厚制御アルゴリズムを示す説明図である。
【図１０】本実施例で作製した薄膜フィルター基板の半径方向のセンター波長変化の一例を示す図である。
【図１１】本実施例で作製した膜厚傾斜を持つ薄膜フィルターを示す側面図である。
【図１２】本実施例で作成した薄膜波長可変フィルターの分光特性の一例を示す図である。
【図１３】本実施例で作製した３ポート型の波長可変フィルターモジュールの構成を示す平面図である。
【図１４】本実施例で作製した波長可変フィルターモジュールのドロップポートから出力された光ビームの分光特性から求めたセンター波長とステッピングモーターを稼動するポテンショメーターの電圧の関係を示す図である。
【図１５】本実施例で使用した膜厚分布補正板の一例を示す。
【符号の説明】
１ ミラーになる１／４波長積層体、
２ スペーサーになる１／２波長もしくはその整数倍層、
３ 成膜基板、 ４ 反射防止膜、 ５ 電子銃、 ６ 蒸着源ハース、
７ 蒸着源シャッター、 ８ ガラス基板、 ９ 基板シャッター、
１０ 水晶式膜厚モニター、 １１ 高速基板回転モーター、
１２ イオンガン、
１３，１３―１，１３―２ 光学式膜厚モニター投光部、
１４，１４―１，１４―２ 光学式膜厚モニター受光部、
１５ チャンバー壁、 １６ 蒸着源、 １７ 膜厚分布補正板、
１８ 光ファイバー、 １９ 分光器、
２０ 光量演算・制御用コンピューター、
２１ ランプ用電源、 ２２ 白色光源、
２３―１，２３―２ 光ビーム切り替え機構、 ２４ ガラス基板、
２５ 反射防止膜、 ２６ 膜厚傾斜フィルター薄膜、
２７ 半径位置１の光ビーム、 ２８ 半径位置２の光ビーム、
２９ 入力ポート、 ３０ ドロップポート、 ３１ 反射光の出力ポート、
３２ ステッピングモーター、 ３３ 波長可変フィルター、
３４ 駆動系、 ３５ 固定分布補正板、３６ 可変分布補正板、
３７ 分布補正板回転軸、 ３８ ボールギア、
３９ ステッピングモーター[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dielectric thin film filter used in an optical communication system and the like, and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a thin film fixed filter and a thin film wavelength tunable filter.
[0002]
[Prior art]
With the recent development of high-speed communication networks, large amounts of information have been transmitted at high speed. As one of the methods for making this possible, development of a wavelength multiplexing optical communication system (DWDM) has been actively performed. In this wavelength division multiplexing optical communication system, optical signals of a plurality of wavelengths are transmitted while being superimposed on one glass fiber. For this purpose, it is necessary to connect an optical multiplexer / demultiplexer before and after the glass fiber. The dielectric thin film filter of the present invention is used as various thin film fixed filters used in an optical communication system, including a narrow band filter (NBPF) constituting an optical multiplexer / demultiplexer. On the other hand, in a wavelength multiplexing optical communication system, Optical Add & Drop Multiplexing (OADM) is required to extract or add an optical signal of a desired wavelength from one glass fiber. At this time, conventionally, a fixed filter having a fixed center wavelength has been used for extracting or adding an optical signal having a desired wavelength. The thin film wavelength variable filter of the present invention is also a kind of narrow band filter, but differs from the fixed filter in that the center wavelength is variable. By providing a small number of wavelength tunable filters by making the center wavelength variable, it becomes possible to freely change the optical communication path only for light having a necessary wavelength (Reconfigurable OADM). The tunable filter is widely used in optical analyzers and optical signal monitors because it can selectively extract wavelengths in addition to OADM applications.
[0003]
These thin-film filters form a multilayer film ranging from several tens to three hundred layers by alternately laminating a high-refractive-index dielectric film and a low-refractive-index dielectric film on a glass substrate. It reaches several tens of μm. An example of the structure of a thin film filter is an example of a fixed filter (for example, Patent Document 1). Further, there is an example of a film structure of a wavelength tunable filter (for example, Patent Documents 2 and 3). The basic structure of a thin-film filter is to provide a desired center wavelength, a high-refractive-index dielectric layer having an optical film thickness of 1/4 wavelength and a low-refractive-index dielectric layer having an optical film thickness of 1/4 wavelength. It is composed of a mirror layer in which body layers are alternately stacked, a spacer layer having an optical thickness of １ ／ wavelength of the center wavelength or an integral multiple thereof, a film-forming substrate, and an antireflection film. The tunable filter basically has the same film configuration as the fixed filter, except that the filter is of a film thickness gradient type in which the film thickness changes in the filter plane. The film of each layer constituting the thin film filter is required to have a film thickness accuracy of 1 / 10,000 to 1 / 100,000, and it is desirable to adjust the film thickness and combination of these layers according to the specifications of the thin film filter. A thin film filter having a center wavelength and a steep tail can be manufactured.
[0004]
A general method of manufacturing a multilayer optical filter having a desired center wavelength is to transmit light of a desired wavelength to a substrate being formed, determine a film thickness while monitoring the amount of transmitted light, and replace a deposition material. Form a multilayer film. At this time, it is known that the amount of transmitted light repeatedly increases and decreases as the film thickness increases, and the increase and decrease of the light amount occurs every quarter wavelength of the optical film thickness. For example, it relates to an optical film thickness monitor, and there is a method of stopping evaporation when the transmittance or the reflectance exceeds a peak (Patent Document 4). This makes it possible to form a film having an optical thickness of １ ／ wavelength. Further, as another method, a method has been proposed in which a peak is accurately detected by using curve fitting software for estimating a peak of a light amount, and a film forming material is switched.
[0005]
As a general method for forming a dielectric multilayer film, an ion-assisted vapor deposition method is employed. In the ion-assisted vapor deposition method, the high-refractive-index material and the low-refractive-index material constituting the above-described dielectric multilayer film are alternately evaporated using an EB gun (electron gun) to form a film on the substrate. At this time, the substrate is simultaneously irradiated with oxygen or mixed ions of argon and oxygen by using an ion gun to help the vapor-deposited particles migrate on the substrate. This makes it possible to improve a multilayer film having a columnar structure easily into a multilayer film having a high packing density. Although the film forming equipment is designed to have as good a film thickness distribution as possible, as described above, the film of each layer constituting the thin film filter has a film thickness accuracy of 1 / 10,000 to 1 / 100,000. Therefore, a multilayer optical filter having a desired center wavelength, pass band, insertion loss, and the like over the entire surface of the film formation substrate cannot be manufactured. Usually, a desired thin-film fixed filter can be obtained from a partial area on the substrate along the center or outer periphery of the substrate. Further, generally, a thick glass substrate is used at the time of film formation. However, cutting and polishing operations are performed after the film formation to obtain a standard thin film fixed filter of 1.4 × 1.4 × 1. 0.0 mm. Among the thin film filters, the wavelength tunable filter can form a desired wavelength tunable filter by forming a multilayer film having a film thickness gradient in the radial direction of the substrate and cutting out the film in the radial direction (for example, Patent Document 5). .
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-197721 (page 5, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-06-265722 (pages 4 to 5, FIGS. 1 and 4)
[Patent Document 3]
JP-A-11-326633 (page 5, FIG. 4)
[Patent Document 4]
JP-A-61-296305 (page 2)
[Patent Document 5]
US Pat. No. 5,872,655 (FIG. 3)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
When fabricating a thin film filter by a conventional method, the greatest problem was that only a part of the substrate could be used because the film thickness accuracy was severe. Here, the film thickness during the film formation is constantly measured by the light amount monitor, and is fed back to the switching of the deposition material. Further, the deposition rate is measured by using a quartz-type film thickness monitor separately from the above-mentioned light quantity monitor, and is fed back to the emission current of the electron gun so that a film can be formed at a desired deposition rate. However, it is extremely difficult to make the film thickness distribution on the substrate uniform with an accuracy of 1 / 10,000 to 1 / 100,000. Usually, a high refractive index Ta oxide (Ta oxide) is used in advance. 2 O 5 ) Or Nb oxide (Nb 2 O 5 ) And low refractive index Si oxides (SiO 2 2 The film forming conditions are adjusted so that the film thickness distribution of (2) is flat and the film thickness distributions of the two are the same. However, a detailed investigation of the film thickness distribution during film formation revealed that the film thickness distribution was changing every moment. This suggests that the distribution of the deposition rate changes during the film formation.
[0008]
As a result of investigating the cause of the change in the deposition rate distribution during the film formation, it was found that the shape of the material at the start of film formation gradually changed as the material was evaporated. The change in the shape of the raw material is particularly remarkable in the case of a sublimable raw material. 2 Then, the surface of the raw material which was initially flat was consumed by evaporation along with the film formation time, and eventually the surface of the raw material was often inclined. Since the raw material evaporates in the tilted direction from the tilted raw material surface, the deposition rate distribution changes every moment. On the other hand, Ta 2 O 5 In the case of such a fusible raw material, the molten surface is kept substantially horizontal by gravity or surface tension, so that even if the raw material is consumed, its surface shape did not change significantly.
[0009]
By using an optical film thickness monitor, the film thickness at the monitor position on the substrate can be accurately measured, and a thin film filter having desired characteristics can be manufactured. A thin film filter having desired characteristics could not be produced at a place other than the measurement position of the thickness monitor. Conventionally, an optical film thickness monitor has been installed so that one radial position on the substrate can be monitored. It was difficult to get. At this time, the deterioration of the optical characteristics was not limited to the shift of the center wavelength, but also extended to the insertion loss, the pass band, and the ripple. This indicates that the film thickness of all the multilayer films ranging from several tens to three hundred layers does not change uniformly with respect to the substrate radius, but also changes unevenly in the thickness direction. Also, it is clear that the non-uniform change in the film thickness direction is based on the temporal change of the deposition rate distribution.
[0010]
Accordingly, the present invention provides a method for controlling the deposition rate distribution in a thin film filter manufacturing apparatus, thereby providing a thin film filter manufacturing apparatus having an increased effective area in which a thin film fixed filter satisfying the characteristic specifications can be obtained in a single film formation. provide. The present invention also provides a method for inclining the film thickness distribution in the radial direction of the substrate, thereby providing a thin film filter manufacturing apparatus capable of obtaining a high performance thin film wavelength tunable filter. Further, the present invention provides a thin film fixed filter substrate and a thin film wavelength tunable filter substrate formed by the above method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted a detailed study on the thin film filter manufacturing apparatus and manufacturing method, and as a result, the effective area on the substrate of the thin film fixed filter that satisfies the characteristic specifications that can be manufactured in a single film formation has a film thickness distribution during the film formation. It is clarified that it is increased by controlling the uniformity. In addition, it was revealed that a high-performance thin film wavelength tunable filter can be obtained by controlling the film thickness distribution to a predetermined gradient distribution during film formation in the manufacture of the thin film wavelength tunable filter. At this time, the film thickness distribution during film formation is obtained from film thicknesses measured at two or more radial positions on the rotating substrate using an optical film thickness monitor, and this is fed back to provide a distance between the rotating substrate and the evaporation source. It was clarified that the film thickness distribution could be controlled by controlling the width of the inserted film thickness distribution correction plate. Specifically, an expensive white light source and spectroscope, or a variable wavelength light source and a power meter may be provided as a set of optical film thickness monitors, and light beams are switched between layers of a multilayer film to form films at two radial positions. Monitor the thickness. Further, it is not necessary to directly measure the film thickness, but it is only necessary to indirectly measure the wavelength at which the light beam quantity reaches a maximum. This wavelength has a value proportional to the film thickness.
[0012]
Therefore, the present invention provides a thin film filter including a set of white light sources and a spectroscope, or a set of variable wavelength light sources and a power meter, and a switching mechanism for transmitting a light beam to two or more different radial positions on a rotating substrate. Provide a manufacturing device. In addition, the wavelength at which the amount of light at the two radial positions is maximized between the layers of the thin-film filter composed of a plurality of layers is measured and compared, and the radial film thickness distribution on the substrate is eliminated so that the wavelength difference is eliminated. To provide a thin-film fixed filter manufacturing apparatus for controlling the pressure. Further, the present invention provides a thin film wavelength tunable filter manufacturing apparatus that compares wavelengths at which the amounts of light at two or more radial positions are maximum and controls a radial film thickness distribution on a substrate so as to have a desired wavelength difference. Here, there is provided a thin film filter manufacturing apparatus in which the method of controlling the film thickness distribution is a method of changing the width of the film thickness distribution correction plate.
[0013]
As a result of using the method of the present invention, not only the change in the film thickness distribution based on the change in the surface shape of the raw material due to evaporation, but also the change in the film thickness distribution based on the change over time in the ion current density irradiated from the ion gun and the change in the vacuum chamber The change of the film thickness distribution based on the gas pressure fluctuation can also be controlled. As a result, conventionally, only the narrow area near the radial position where the optical film thickness monitor is installed is the effective area, and if it deviates from the effective area, the center wavelength, insertion loss, pass band, ripple, etc. did not satisfy the specifications. However, according to the present invention, even if the center wavelength is slightly shifted, deterioration such as insertion loss, pass band, and ripple is reduced, and the effective area where a thin film fixed filter can be obtained can be expanded. Conventionally, only a thin film wavelength tunable filter having a narrow pass band can be obtained. However, the present invention has improved the film thickness distribution accuracy of the gradient film, and has made it possible to obtain a thin film wavelength tunable filter having a wide pass band. Therefore, a high performance and high productivity thin film filter manufacturing apparatus could be developed.
[0014]
[1] A method of manufacturing a thin film filter according to the present invention, comprising: an optical mechanism for switching a white light beam or a specific wavelength light to project and transmit the light to two or more different radial positions of a film formed on a rotating substrate; The apparatus further comprises means for detecting a light amount of a specific wavelength based on light transmitted through the film, and the film thickness distribution is controlled based on the detected light amount. In particular, it is desirable to control the radial thickness distribution on the substrate.
Here, the light amount of the light beam transmitted through the film preferably detects a light amount of a specific wavelength. As a light source for generating a light beam, it is desirable to provide one set of a white light source and one set of a spectroscope, or one set of a variable wavelength light source and one set of a power meter.
Here, a set of a white light source and a spectroscope, or a set of a wavelength variable light source and a power meter is used for forming a high-refractive-index material or a low-refractive-index material formed on a rotating substrate provided in a thin-film filter manufacturing apparatus. Used to monitor optical film thickness.
Further, in order to monitor the film thickness at two or more radial positions, the above light sources and spectroscopes are required by the number of the radial positions, but by providing the light beam switching mechanism of the present invention, the light source system and the spectroscope are required. It is possible to monitor the film thickness at a plurality of radial positions by switching the optical path only by using a set of. Further, the thickness distribution in the radial direction on the substrate can be controlled based on the monitored result, and a desired thickness distribution can be obtained.
More specifically, the manufacturing method according to the present invention is characterized in that a white light beam or light of a specific wavelength is switched and projected and transmitted at two or more different radial positions of a film formed on a rotating substrate, and the film is formed on the rotating substrate. The method is characterized in that a light amount of a specific wavelength is detected by transmitted light, and a film thickness distribution of the film is controlled based on the detected light amount. In particular, it controls the film thickness distribution on the substrate in the radial direction.
[0015]
[2] In the method of manufacturing a thin film filter according to the above [1], the light amount is constantly measured while switching the light beam at two or more radial positions, and the light amount is measured in the radial direction on the substrate so that the light amount difference at each radial position does not occur. It is characterized in that the film thickness distribution is controlled.
Here, the light amount difference at each radial position is always fed back, and the film thickness distribution in the radial direction on the substrate can be constantly controlled so that the light amount difference does not occur.
[0016]
[3] In the method for manufacturing a thin film filter according to the above [2], the light amount is constantly measured while switching the light beam at two or more radial positions, and the film thickness distribution is controlled so that a light amount difference does not occur at each radial position. The method is characterized in that the wavelength tunable filter is formed by setting the wavelengths of the light beams at two or more radial positions to different values having a desired wavelength difference.
Here, by setting the wavelengths of the light beams at two or more radial positions to different values having a desired wavelength difference, a thin-film filter for a different wavelength is accurately formed at each radial position, that is, having a film thickness gradient. It becomes possible to form a thin film wavelength tunable filter. In order to provide a wavelength difference, there is a method of transmitting a white light and detecting a specific wavelength difference with a spectroscope, or a method of providing a wavelength difference with a wavelength variable light source.
[0017]
[4] The method for manufacturing a thin-film filter according to the above [1] constantly measures the amount of light while switching light beams at two or more radial positions, and predicts the time when the amount of light at each radial position becomes maximum or minimum. And comparing the predicted times with each other to control the radial film thickness distribution on the substrate so as to eliminate the time difference.
Here, when a thin film of a high-refractive-index material or a low-refractive-index material is formed on a substrate, the light amount of the light beam increases or decreases each time the optical thickness of the thin film reaches 1/4 of the wavelength of the transmitted light beam. There is a repeating nature. Since the basic film configuration of the thin-film filter is a laminate of a high-refractive-index film of １ ／ wavelength and a low-refractive-index film of １ ／ wavelength, the increase and decrease of the light amount of the light beam transmitted through the thin film is monitored. By exchanging the raw material at the peak or valley, a thin film filter is formed. Therefore, the predicted time at which the light amount at two or more radial positions is maximum or minimum is the same when the film thickness distribution on the substrate is uniform. However, if there is a film thickness distribution, a time difference occurs, so that the film thickness distribution may be controlled so as to eliminate the time difference. Note that “to eliminate” corresponds to controlling to reduce the time difference. It is not necessarily limited to completely zeroing.
[0018]
[5] The method for manufacturing a thin-film filter according to the above [4], wherein the predicted times at which the amount of light at two or more radial positions is maximum or minimum are compared, and the radial film on the substrate is removed so that the time difference is eliminated. The method of controlling the thickness distribution is characterized in that a wavelength tunable filter is formed by setting the wavelengths of light beams at two or more radial positions to different values having a desired wavelength difference.
Here, when measuring the predicted time at which the light quantity at two or more radial positions becomes maximum or minimum, if a different light beam wavelength is used for each radial position, an optical film corresponding to １ ／ of the wavelength is used. A thick thin film can be formed. That is, by measuring the maximum or minimum of the light amount at different wavelengths having a desired wavelength difference at each radial position, it is possible to form a thin film wavelength tunable filter having a film thickness distribution, that is, having a film thickness gradient. Become.
[0019]
[6] The method for manufacturing a thin film filter according to the above [1], wherein the light beam is applied to an evaporation source when measuring the light amounts of light beams at two or more radial positions between the layers of the thin film filter composed of a plurality of layers. It is assumed that the wavelength of the light beam is 0.1 to 1.0 nm longer than the wavelength of the exchange control monitor, the light amount of the light beam at each radial position is compared, and the film thickness distribution in the radial direction on the substrate is controlled so that the light amount difference is eliminated. Features.
Here, the reason why the wavelength for measuring the amount of light at two or more radial positions is 0.1 to 1.0 nm longer than the wavelength for constantly monitoring the film thickness is because there is a film thickness distribution and at a certain radial position. This is because even when the wavelength exceeds １ ／ wavelength, the light amount does not reach a maximum or a minimum, but increases or decreases monotonically. If the light amount exceeds the maximum or minimum, it becomes impossible to distinguish whether the film thickness is thicker or thinner than １ ／ wavelength. The term “layer between layers of the thin film filter” means that the amount of light beam is measured at two or more radial positions each time each layer constituting the thin film filter is formed.
[0020]
[7] The method for manufacturing a thin film filter according to the above [6], wherein the light beam is measured at the two or more radial positions between the layers of the thin film filter based on the wavelength of the evaporation source exchange control monitor. It has a long wavelength of 0.1 to 1.0 nm and is a different value having a desired wavelength difference. The light amount of the light beam at each radial position is compared, and the radial film thickness on the substrate is set so that the light amount difference is eliminated. A tunable filter is formed by controlling the distribution.
Here, if the film thickness distribution is controlled so that the wavelength used for measurement at each radial position has a desired wavelength difference, it becomes possible to form a thin film wavelength tunable filter having a film thickness gradient. The reason for setting the wavelength of the light beam to be 0.1 to 1.0 nm longer than the desired wavelength is to make the light amount increase or decrease monotonically. The term “layer between layers of the thin film filter” means that the amount of light beam is measured at two or more radial positions each time each layer constituting the thin film filter is formed.
[0021]
[8] The method for manufacturing a thin film filter according to any one of [1] to [7], wherein the method of controlling the radial thickness distribution on the substrate is a method of changing the width of the thickness distribution correction plate. There is a feature.
Here, in the conventional film thickness distribution correction plate, the width of the film correction plate is adjusted in advance so as to have a necessary film thickness distribution before film formation, and the width is fixed during film formation. The width of the correction plate can be constantly changed, and can be controlled by a signal fed back from the film thickness monitor even during film formation.
Other than the method of changing the width of the correction plate, a method of controlling the film thickness distribution by changing the vapor deposition rate of the vapor deposition source or a method of controlling the film thickness distribution by changing the conditions of the ion gun can be used. As a method of changing the deposition rate of the deposition source, there is a method of changing parameters for operating the electron gun. The conditions of the ion gun include current and voltage values. Among these methods, it is most preferable to use a method of changing the width of the correction plate in order to enhance the accuracy of the film thickness distribution.
[0022]
The method for manufacturing a thin film filter according to the above [8] is characterized in that the method of changing the width of the film thickness distribution correction plate is a method using a stepping motor.
Here, by using the stepping motor, it is possible to improve the width accuracy when changing the width of the correction plate.
[0023]
[9] The method for manufacturing a thin-film filter according to any one of [1] to [8] is characterized by using an optical switch to switch a light beam to a different radial position.
Here, there are various types of optical switches such as a mechanical type and a waveguide type, and any type can be used.
[0024]
[10] The method for manufacturing a thin film filter according to the present invention is characterized in that a light beam is switched and projected and transmitted at two or more different radial positions of a film formed on a rotating substrate,
The film thickness distribution of the film is controlled based on the amount of a light beam transmitted through the film. In particular, it is desirable to control the radial thickness distribution on the substrate.
[0025]
[11] An apparatus for manufacturing a thin-film filter according to the present invention, comprising: an optical mechanism for switching a white light beam or a specific wavelength light to project and transmit the light to two or more different radial positions of a film formed on a rotating substrate; Equipped with means for detecting the amount of light of a specific wavelength by light transmitted through the film,
The film thickness distribution of the film is controlled based on the detected light amount.
This manufacturing apparatus includes a means for controlling the film thickness distribution in the radial direction on the substrate. Further, by providing a means for achieving the requirements of the above-described manufacturing method of the present invention, a manufacturing apparatus suitable for each manufacturing method can be configured.
[0026]
[12] The thin film filter substrate manufactured by the thin film filter manufacturing method according to the above [2], [4] or [6], has a center wavelength change width of 0.1 nm or less over a radius of 10 mm or more. Features.
Here, the center wavelength of the thin-film fixed filter generally needs to be within ± 0.1 nm, that is, within 0.2 nm. Since the center wavelength is directly affected by the film thickness distribution, a region having a uniform film thickness at the center of the substrate is usually used as an effective region of the fixed filter. However, in the present invention, it is possible to obtain a fixed filter substrate having a center wavelength change width of 0.1 nm or less over a radius of 10 mm or more even when the outer periphery of the substrate is an effective area.
[0027]
[13] The tunable filter corresponding to 100 GHz manufactured by the method for manufacturing a thin film filter according to the above [3], [5] or [7], has a pass band of -0.5 dB of 0.4 nm or more. It is characterized.
Here, a general thin-film wavelength tunable filter is formed by forming a thin-film filter having an inclined film thickness on a rectangular substrate having a length of about 20 mm. Due to the film thickness gradient and the long strip shape, it was difficult to improve the -0.5 dB pass band to 0.3 nm or more. According to the present invention, the film thickness distribution of the gradient film can be precisely controlled, and the pass band of -0.5 dB can be made 0.4 nm or more.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be described in detail based on examples. The present invention is not limited by these examples.
(Example 1)
The membrane filter was manufactured by the following steps. A cleaning glass substrate having a thickness of 7 mm on which an anti-reflection film 4 is formed on the back surface is loaded as a film forming substrate 3 into a film forming apparatus, and the degree of vacuum is set to 6.7 × 10 -4 Pa (≒ about 5 × 10 -6 After evacuation to Torr or less, film formation was started. The thickness of the glass substrate may be, for example, in the range of 5 to 12 mm. The thin film filter manufactured in the present embodiment is a narrow band filter (NBPF) for DWDM shown in FIG. 1, and its basic structure is a quarter-wave laminate 1 serving as a mirror, and a half-wave or a integer thereof serving as a spacer The double layer 2 was laminated with 158 layers. Note that the number of layers can be changed in the range of one hundred and several tens to three hundred and several tens.
[0029]
Here, the quarter-wave laminate 1 serving as a mirror is made of Ta oxide (Ta oxide). 2 O 5 ) Or Nb oxide (Nb 2 O 5 ) And a high-refractive-index dielectric layer having an optical thickness of １ ／ wavelength and a Si oxide (SiO 2). 2 ) Is a structure in which low refractive index dielectric layers having an optical film thickness of １ ／ wavelength are alternately laminated. The half-wavelength or its integral multiple layer 2 serving as a spacer is made of a low refractive index dielectric layer made of Si oxide and having an optical film thickness of 1/2 wavelength or an integral multiple thereof, or a Ta oxide or Nb oxide. Is a high refractive index dielectric layer having an optical film thickness of １ ／ wavelength or an integral multiple thereof. Note that, in the cross-sectional view of FIG. 1, the number of continuous laminations is large, and illustration of a lamination state in the middle is omitted.
[0030]
For the formation of the dielectric multilayer film, an ion-assisted vapor deposition apparatus shown in the sectional view of FIG. 2 was used as a thin film filter manufacturing apparatus. In the ion-assisted vapor deposition apparatus, a high-refractive-index material and a low-refractive-index material constituting the above-described dielectric multilayer film are loaded into a ring-shaped vapor deposition source hearth 6 in a chamber, and electron beams are irradiated from an electron gun 5. Thus, the two materials were alternately evaporated, the evaporation source shutter 7 and the substrate shutter 9 were opened, and a film was formed on the glass substrate 8. At this time, the glass substrate 8 was irradiated with oxygen ions or mixed ions of argon and oxygen using the assisting ion gun 12 at the same time, thereby helping the vapor-deposited particles to migrate on the glass substrate 8. As a result, the multi-layer film having a columnar structure can be improved to a multi-layer film having a high packing density. In this example, the acceleration voltage of the ion gun 12 was set to 500 to 900 V, and a uniform thin film filter film having a high packing density was obtained.
[0031]
In FIG. 2, the trajectory of the electron beam is represented by a thick dotted line, and the direction in which the raw material evaporates is represented by a thin dotted line. The member holding the glass substrate 8 was rotated by a high-speed substrate rotation motor 11. The thickness of each dielectric film constituting the dielectric multilayer film was measured with a quartz crystal film thickness monitor 10. The thickness of the multilayer film formed on the glass substrate 8 is determined by transmitting the light emitted from the optical film thickness monitor light projecting unit 13 through the glass substrate on which the multilayer film is formed, and transmitting the transmitted light to the optical film thickness monitor. The measurement was performed by receiving the light at the monitor light receiving unit 14. A vacuum evacuation device is connected to the right side (the side indicated by the white arrow) of the chamber in FIG. 2, but is not shown.
[0032]
FIG. 3 is a schematic diagram showing an optical film thickness monitor used in the thin film filter manufacturing apparatus. The optical film thickness monitor is a configuration example using a white light source and a spectroscope. As shown in FIG. 3, the film thickness during film formation is determined by applying white light from the halogen lamp 22 via the light beam switching mechanism 23-1 and the optical film thickness monitor light projecting units 13-1 and 13-2. Through the multilayer film and the glass substrate 8 rotating at high speed, and transmits the transmitted light via the optical film thickness monitor light receiving units 14-1 and 14-2 and the light beam switching mechanism 23-2, and further via the optical fiber 18. Monitoring was performed by measuring with a spectroscope 19 (which splits light, converts light intensity for each wavelength into an electric signal, and detects light amount). Here, when the light beam switching mechanism is moved, the light beam can be moved to two or more radial positions even if the light source and the spectroscope are one set, and the light amount at different radial positions can be monitored. The computer 20 for calculating and controlling the amount of light receives an electric signal from the spectroscope 19 to monitor and control a lamp power supply 21 connected to the halogen lamp. Further, the computer 20 for calculating and controlling the amount of light controls the ring-shaped evaporation source hearth and the electron gun in the evaporation source 16, but the connection state with them is omitted. In addition to the combination of the white light source and the spectroscope, the combination of the wavelength variable light source and the power meter also transmits a light beam to the multilayer film being formed and the glass substrate 8 rotating at a high speed. Can be detected.
[0033]
Specifically, the transmitted light repeats transmission and reflection every one quarter wavelength of the optical film of the multilayer film. Therefore, by monitoring the amount of the transmitted light, the amount of the transmitted light can be reduced from the maximum value or the minimum value by one. The end point of the film of the layer was detected, and the high-refractive-index film and the low-refractive-index film were alternately formed by exchanging the deposition materials. At this time, a desired thin film filter could be manufactured by detecting the film thickness of each layer with high accuracy and controlling the material exchange.
[0034]
In order to stably produce a thin film filter, as shown in FIG. 3, it is preferable that two or more systems of white light pass through the glass substrate 8. That is, even when a thin film filter is produced by uniformly controlling the thickness of the dielectric multilayer film in the radial direction of the glass substrate 8, the thickness of the thin film wavelength can be varied by controlling the thickness of the dielectric multilayer film to be inclined in the radial direction. When producing a filter, it is desirable to monitor the film thickness at two or more radial positions. Further, by feeding back the signals output from the two optical film thickness monitors and changing the shape of the film thickness distribution correction plate 17 inserted between the glass substrate 8 and the vapor deposition source 16, a more accurate uniform film can be obtained. And a gradient film can be formed on the substrate.
[0035]
In the thin film filter manufacturing apparatus of this example, the light beam of the optical film thickness monitor was transmitted at two or more radial positions during film formation, and the amount of transmitted light was measured. FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a film thickness distribution in the case where a single light beam is used. FIG. 5 is a schematic diagram showing a film thickness distribution when two systems of light beams of the present invention are used. The transmitted light amount at each radial position was monitored at all times by switching the light beam constantly or as needed using a light beam switching mechanism using an optical switch. At this time, one of the light quantity monitors, for example, the light quantity monitor 1 is a monitor for controlling the exchange of the vapor deposition source, and constantly monitors the light quantity, and calculates the time when the light quantity at this radial position reaches the maximum value or the minimum value from the change in the light quantity. Predicted that time. When the predicted time was reached, the deposition source was switched to form a dielectric multilayer film. Further, another light amount monitor, for example, the light amount monitor 2 was used as a film thickness distribution control monitor, and a difference from a monitor value of a deposition source exchange control monitor was obtained, and the film thickness distribution was controlled in a direction to reduce the difference.
[0036]
FIG. 6 shows a result of displaying a change in light amount indicated by the light amount monitor by computer simulation. The figure shows the results when a one-cavity filter is formed. When the optical film thickness of each multilayer film reaches 1/4 of the monitor wavelength, the light quantity takes a maximum value or a minimum value. At this point, the deposition source is switched and the formation of the next layer is started. When the light quantity takes the maximum value or the minimum value again, the deposition material is switched, and the process proceeds to the next layer formation. In the case of a multi-cavity, the light quantity change of one cavity is repeated. The multi-cavity thin film filter thus formed has a center wavelength equivalent to the monitor wavelength.
[0037]
FIG. 7 shows a film thickness distribution control algorithm in a case where the radial position 1 is a monitor for controlling the deposition source exchange control and the radial position 2 is a monitor for controlling the film thickness distribution. For simplicity, it is assumed that monitors are located at two radial positions. In this embodiment, the radius position 1 is set to a radius of 50 mm, and the radius position 2 is set to a radius of 120 mm. At the radial position 1, the time at which the light amount reaches a maximum value or a minimum value is always predicted by using a polynomial approximation or a differential value of the light amount change from the light amount change, and an instruction of a time at which the deposition material is switched is issued. At the same time, the light amount is constantly monitored by switching the light beam even at the radial position 2 and the difference from the light amount at the radial position 1 is calculated. An instruction was issued to adjust the width of the distribution correction plate in a direction to reduce the light amount difference, and the film thicknesses at the radial position 1 and the radial position 2 were controlled to be equal. As a result, a uniform film thickness distribution was obtained at the radius between the radial position 1 and the radial position 2. That is, as shown in FIG. 10, the obtained filter substrate has a center wavelength change width of 0.5 nm or less over a radius of 70 mm or more between radius positions 1 and 2 and 0 nm over a radius of 10 mm or more. .1 nm or less. At this time, it is desired that the detection of the light quantity at each radial position is performed at least once per second.
[0038]
The back surface of the obtained filter substrate was polished to a thickness of 1 mm, an anti-reflection film was formed on the back surface, and cut into a 1.4 mm square filter chip. As a result, by using the method and apparatus of the present invention, a thin-film filter having a desired center wavelength could be formed, and the yield was remarkably increased as compared with the conventional method in which a set of light amount monitors was used.
[0039]
In the method of controlling the film thickness distribution shown in FIG. 7, the wavelength of the light beam monitored at the radial position 1 and the wavelength of the light beam monitored at the radial position 2 are different values having a desired wavelength difference. That is, at the radial position 1, the time at which the light amount reaches the maximum value or the minimum value is always predicted using the polynomial approximation or the differential value of the light amount change from the light amount change, and an instruction of the time at which the deposition material is switched is issued. At the same time, at the radial position 2, the light beam is switched at the same time as the monitor wavelength, and the light amount is constantly monitored at a wavelength different from the radial position 1 to calculate the difference from the light amount at the radial position 1. An instruction was issued to adjust the width of the distribution correction plate in a direction to reduce the light amount difference, and the film thickness at the radial position 1 and the radial position 2 was controlled. FIG. 11 shows a side view of the manufactured thin film filter. In this figure, the film thicknesses of the thin film filter 26 and the antireflection film 25 are shown in an enlarged manner as compared with the glass substrate 24. The spectral characteristic of the light beam transmitted through the thin film filter changes in center wavelength in proportion to the thickness of the thin film. As a result, as shown in the figure, at the radial position 1, a thin film filter having the monitor wavelength at the radial position 1 as the center wavelength is obtained, and at the radial position 2, a thin film filter having the monitor wavelength at the radial position 2 as the center wavelength is obtained. Was. Further, at a radial position between the radial position 1 and the radial position 2, a thin film filter having a center wavelength between the two was obtained. Therefore, it is possible to select a channel having a desired center wavelength by selecting a desired radial position. In the drawing, arrows indicate the transmission directions of the light beams 27 and 28 of the light amount monitors 1 and 2.
[0040]
The back surface of the thin film filter substrate produced at a position of a radius of 50 mm and a radius of 120 mm with a monitor wavelength difference of 6.4 nm is polished to a plate thickness of 1 mm, an antireflection film is formed on the back surface, and a 1.4 mm square filter chip is formed. It was cut. The obtained filter chip was a filter corresponding to 100 GHz, and a thin film filter including a center wavelength for eight channels at a wavelength pitch of 0.8 nm could be obtained. That is, thin film filters having different center wavelengths at different radial positions could be formed, and thin film filters for eight channels could be manufactured simultaneously in one vacuum batch.
[0041]
The back surface of the thin film filter substrate manufactured at a position of a radius of 90 mm and a radius of 120 mm with a monitor wavelength difference of 35 nm is polished to a plate thickness of 2 mm, and an antireflection film is formed on the back surface to form a filter chip having a width of 5 mm and a length of 35 mm. It was cut. Here, cutting was performed so that the radial direction was the longitudinal direction of the filter. The obtained thin film filter is a wavelength tunable filter corresponding to 100 GHz, and has a center wavelength difference of 35 nm between lengths of 30 mm. FIG. 12 shows an example of the spectral characteristics of the obtained thin film wavelength variable filter. The figure shows a wavelength tunable filter corresponding to 100 GHz, and a flat-top thin film wavelength tunable filter having a passband of -0.5 dB of 0.4 nm or more was obtained. FIG. 13 shows an example of a wavelength tunable filter module manufactured using this thin film wavelength tunable filter. The tunable filter module includes an input port 29, a drop port 30, an output port 31 for reflected light, a stepping motor 32, a tunable filter 33, and a drive system 34. Then, a desired channel (wavelength) is output to the drop port 30. On the other hand, all light beams having wavelengths other than the desired channel are reflected by the wavelength variable filter 33 and output to the output port 31 of the reflected light. At this time, the channel can be switched by operating the stepping motor 32 and moving the wavelength variable filter 33 via the drive system 34. Here, a so-called three-port type variable wavelength filter module is shown.
[0042]
(Example 2)
In Example 1, a thin film filter was manufactured by the following method and apparatus. That is, FIG. 8 shows a film thickness distribution control algorithm in the case where the radial position 1 is a monitor for controlling the deposition source exchange control and the radial position 2 is a monitor for controlling the film thickness distribution. For simplicity, it is assumed that monitors are located at two radial positions. In this embodiment, the radius position 1 is set to a radius of 50 mm, and the radius position 2 is set to a radius of 120 mm. At the radial position 1, the time at which the light amount reaches a maximum value or a minimum value is always predicted by using a polynomial approximation or a differential value of the light amount change from the light amount change, and an instruction of a time at which the deposition material is switched is issued. At the same time, the light amount is constantly monitored by switching the light beam even at the radial position 2 and the time when the light amount reaches the maximum value or the minimum value using the polynomial approximation or the differential value of the light amount change as in the radial position 1. Always predicted. The difference between the predicted time at the radial position 2 and the time at which the deposition material is actually switched by the instruction at the radial position 1 is calculated, and an instruction is issued to adjust the width of the distribution correction plate in a direction to reduce the time difference. The film thicknesses at the position 1 and the radial position 2 were controlled to be equal. As a result, a uniform film thickness distribution was obtained at the radius between the radial position 1 and the radial position 2. That is, in the obtained filter substrate, the change width of the center wavelength between the radial position 1 and the radial position 2 was 0.5 nm or less over a radius of 70 mm or more, or 0.1 nm or less over a radius of 10 mm or more. At this time, it is desired that the detection of the light quantity at each radial position is performed at least once per second.
[0043]
The back surface of the obtained filter substrate was polished to a thickness of 1 mm, an anti-reflection film was formed on the back surface, and cut into a 1.4 mm square filter chip. As a result, by using the method and apparatus of the present invention, a thin-film filter having a desired center wavelength could be formed, and the yield was remarkably increased as compared with the conventional method in which a set of light amount monitors was used. In the case of a filter corresponding to 100 GHz, a flat top thin film filter having a pass band of 0.45 nm or more was obtained.
[0044]
In the method for controlling the film thickness distribution shown in FIG. 8, the wavelength of the light beam monitored at the radial position 1 and the wavelength of the light beam monitored at the radial position 2 are different values having a desired wavelength difference. That is, at the radial position 1, the time at which the light amount reaches the maximum value or the minimum value is always predicted using the polynomial approximation or the differential value of the light amount change from the light amount change, and an instruction of the time at which the deposition material is switched is issued. In parallel, at the radial position 2, the light beam was switched and the monitor wavelength was switched at the same time, the light amount was constantly monitored at a wavelength different from the radial position 1, and the time at which the deposition material was switched was predicted as in the radial position 1. The difference between the predicted time at the radial position 2 and the time at which the deposition material is actually switched by the instruction at the radial position 1 is calculated, and an instruction is issued to adjust the width of the distribution correction plate in a direction to reduce the time difference. The film thickness at position 1 and radius position 2 was controlled. The spectral characteristic of the light beam transmitted through the thin film filter changes in center wavelength in proportion to the thickness of the thin film. As a result, between the radial position 1 and the radial position 2, a thin film filter having a center wavelength between the monitor wavelengths was obtained. Therefore, it is possible to select a channel having a desired center wavelength by selecting a desired radial position.
[0045]
The back surface of the thin film filter substrate produced at a position of a radius of 50 mm and a radius of 120 mm with a monitor wavelength difference of 6.4 nm is polished to a plate thickness of 1 mm, an antireflection film is formed on the back surface, and a 1.4 mm square filter chip is formed. It was cut. The obtained filter chip was a filter corresponding to 100 GHz, and a thin film filter including a center wavelength for eight channels at a wavelength pitch of 0.8 nm could be obtained. That is, thin film filters having different center wavelengths at different radial positions could be formed, and thin film filters for eight channels could be manufactured simultaneously in one vacuum batch.
[0046]
The back surface of the thin film filter substrate manufactured at a position of a radius of 90 mm and a radius of 120 mm with a monitor wavelength difference of 35 nm is polished to a plate thickness of 2 mm, and an antireflection film is formed on the back surface to form a filter chip having a width of 5 mm and a length of 35 mm. It was cut. Here, cutting was performed so that the radial direction was the longitudinal direction of the filter. The obtained thin film filter was a wavelength tunable filter corresponding to 100 GHz, and had a center wavelength difference of 35 nm between lengths of 30 mm. Using this thin film wavelength variable filter, a wavelength variable filter module was manufactured in the same manner as in Example 1, and the wavelength variable characteristics were confirmed. FIG. 14 shows an example in which the spectral characteristics of the light beam emitted from the drop port 30 of the wavelength tunable filter module of the present embodiment are measured, and the center wavelength is plotted against the voltage of a potentiometer that operates the stepping motor 32. As is apparent from the figure, the center wavelength monotonically increases as the voltage of the potentiometer increases, indicating that the center wavelength of the light beam output from the drop port 30, that is, the channel is continuously switched. .
[0047]
(Example 3)
In Example 1, a thin film filter was manufactured by the following method and apparatus. That is, FIG. 9 shows a film thickness distribution control algorithm in a case where the radial position 1 is a monitor for controlling the deposition source exchange control and the radial position 2 is a monitor for controlling the film thickness distribution. For simplicity, it is assumed that monitors are located at two radial positions. In this embodiment, the radius position 1 is set to a radius of 50 mm, and the radius position 2 is set to a radius of 120 mm. At the radial position 1, the time at which the light amount reaches a maximum value or a minimum value is always predicted by using a polynomial approximation or a differential value of the light amount change from the light amount change, and an instruction of a time at which the deposition material is switched is issued. At the radial position 2, the light amount was monitored by switching the light beam between the layers of the formed multilayer film, and the light amount was compared with the radial position 1 to obtain a light amount difference. An instruction was issued to adjust the width of the distribution correction plate in a direction to reduce the light amount difference, and the film thicknesses at the radial position 1 and the radial position 2 were controlled to be equal. However, in this method, even if the radial position 1 reaches the local maximum value or the local minimum value and stops the evaporation, and the replacement of the evaporation source is instructed, the radial position 2 is before or after reaching the local maximum value or the local minimum value. I can't tell if it's later. Therefore, here, the light amount at the radial position 1 and the radial position 2 is measured using the monitor wavelength 0.1 to 1.0 nm longer than the monitor wavelength for the evaporation source exchange control. The light intensity difference was determined. By doing so, the light quantity change enters the monotonically increasing or monotonically decreasing area, and it is now possible to simply compare the two light quantities. As a result, a uniform film thickness distribution was obtained at the radius between the radial position 1 and the radial position 2. That is, in the obtained filter substrate, the change width of the center wavelength between the radial position 1 and the radial position 2 was 0.5 nm or less over a radius of 70 mm or more, or 0.1 nm or less over a radius of 10 mm or more. Note that the control of the film thickness distribution is different from the first and second embodiments, and the distribution correction plate cannot always be controlled, but is controlled for each layer. That is, specific control instructions were given to successive layers of the same material.
[0048]
In the method of controlling the film thickness distribution shown in FIG. 9, when monitoring the amount of light between the layers of the multilayer film, the wavelength of the light beam monitored at the radial position 1 and the wavelength of the light beam monitored at the radial position 2 are different by a desired wavelength. With different values. That is, the wavelengths of the light beams at the radial position 1 and the radial position 2 are different from each other with a desired wavelength difference by using a monitor wavelength having a wavelength longer by 0.1 to 1.0 nm than the monitor wavelength for the vapor deposition source exchange control. The light amount difference between the radial position 1 and the radial position 2 is obtained by this method, an instruction is issued to adjust the width of the distribution correction plate in a direction to reduce the light amount difference, and the film thickness at the radial position 1 and the radial position 2 is controlled. did. The spectral characteristic of the light beam transmitted through the thin film filter changes in center wavelength in proportion to the thickness of the thin film. As a result, between the radial position 1 and the radial position 2, a thin film filter having a center wavelength between the monitor wavelengths was obtained. Therefore, it is possible to select a channel having a desired center wavelength by selecting a desired radial position.
[0049]
Eight channels of 100 GHz-compatible thin-film filters could be obtained from the thin-film filter substrates prepared at a radius of 50 mm and a radius of 120 mm with a monitor wavelength difference of 6.4 nm. That is, a thin film filter for eight channels could be produced simultaneously in one vacuum batch.
[0050]
A thin-film filter substrate produced at a radius of 90 mm and a radius of 120 mm with a monitor wavelength difference of 35 nm was cut so that the radial direction was the longitudinal direction of the filter. The obtained thin film filter became a wavelength tunable filter corresponding to 100 GHz, and had a center wavelength difference of 35 nm between lengths of 30 mm.
[0051]
In the above embodiment, a film thickness distribution correction plate was used to control the film thickness distribution. FIG. 15 shows an example of the film thickness distribution correction plate. The correction plate is composed of at least a fixed correction plate 35 and a variable correction plate 36, the tip of which is directed toward the center of the substrate with the rotation axis 37 as a rotation axis, and the variable correction plate 36 is moved by a ball gear 38 connected to a stepping motor 39 near the correction plate. . As a result, the width of the correction plate was changed, and a desired film thickness distribution could be obtained. The variable mechanism of the correction plate is not limited to this embodiment, and for example, a piezo element may be used.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, the method and apparatus for manufacturing a thin film filter according to the present invention provide a thin film filter with high performance and uniform center wavelength over a wide radial position of a filter substrate. As a result, the yield per vacuum batch was significantly increased as compared with the conventional method. Furthermore, by using desired different monitor wavelengths, a thin film filter having a film thickness gradient in a radial direction can be manufactured, and a thin film filter having a plurality of channels can be produced in one vacuum batch. Further, the thin film filter having the film thickness gradient becomes a thin film wavelength tunable filter, and provides a high performance thin film wavelength tunable filter having a flat top characteristic with a wide pass band.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a dielectric multilayer structure constituting a multi-cavity bandpass filter.
FIG. 2 is a sectional view showing a multilayer optical filter forming apparatus used in the present embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of an optical film thickness monitor used in this example.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a film thickness distribution when controlled by a set of light amount monitors in a conventional method.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a film thickness distribution when controlled by two light amount monitors used in the present embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a result of displaying, by computer simulation, a change in light amount indicated by a light amount monitor when forming a one-cavity filter.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a film thickness control algorithm used in the present embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing another film thickness control algorithm used in the present embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing another film thickness control algorithm used in the present embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a change in the center wavelength in the radial direction of the thin film filter substrate manufactured in this example.
FIG. 11 is a side view showing a thin film filter having a film thickness gradient manufactured in this example.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of spectral characteristics of a thin film wavelength tunable filter created in the present example.
FIG. 13 is a plan view illustrating a configuration of a three-port type variable wavelength filter module manufactured in the present example.
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a center wavelength obtained from spectral characteristics of a light beam output from a drop port of a wavelength tunable filter module manufactured in this example and a voltage of a potentiometer that operates a stepping motor.
FIG. 15 shows an example of a film thickness distribution correction plate used in this embodiment.
[Explanation of symbols]
1 quarter-wave laminate to be a mirror,
2 1/2 wavelength or an integer multiple layer that becomes a spacer,
3 film forming substrate, 4 anti-reflection film, 5 electron gun, 6 evaporation source hearth,
7 evaporation source shutter, 8 glass substrate, 9 substrate shutter,
10 Crystal film thickness monitor, 11 High-speed substrate rotation motor,
12 ion gun,
13, 13-1, 13-2 Optical film thickness monitor light emitting section,
14, 14-1, 14-2 Optical film thickness monitor light receiving section,
15 chamber wall, 16 evaporation source, 17 film thickness distribution correction plate,
18 optical fiber, 19 spectrometer,
20 Computer for light intensity calculation and control,
21 Power supply for lamp, 22 White light source,
23-1, 23-2 light beam switching mechanism, 24 glass substrate,
25 anti-reflection film, 26 film thickness gradient filter thin film,
27 light beam at radial position 1, 28 light beam at radial position 2,
29 input port, 30 drop port, 31 reflected light output port,
32 stepper motor, 33 wavelength tunable filter,
34 drive system, 35 fixed distribution correction plate, 36 variable distribution correction plate,
37 distribution compensation plate rotation axis, 38 ball gear,
39 stepper motor
