JP2005114812A - Composite dielectric multilayer film filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光通信用モジュールに用いられる誘電体多層膜フィルタに関し、特に複数のフィルタを組み合わせた複合型の誘電体多層膜フィルタに関するものである。 The present invention relates to a dielectric multilayer filter used in an optical communication module, and more particularly to a composite dielectric multilayer filter in which a plurality of filters are combined.
光通信分野においては、赤外線領域の光が利用されており、この波長領域のなかでも最も利用されているのは光ファイバーの透過特性の関係上1.3μm〜1.6μmの帯域である。従来のバンドパスフィルタは主に1.55μm帯のみでの波長分離に使用されている。 In the optical communication field, light in the infrared region is used, and the most used in this wavelength region is the band of 1.3 μm to 1.6 μm due to the transmission characteristics of the optical fiber. Conventional band-pass filters are mainly used for wavelength separation only in the 1.55 μm band.
さて、以下では上記に述べた波長選択性を具備するための誘電体多層膜構造について説明する。非特許文献1などに記載されている光フィルタの膜設計によれば、2種類の異なる屈折率を持つ誘電体薄膜H及びLの屈折率をそれぞれnH、nLとすると、ある設計波長λ0を中心に高反射率を有する誘電体多層膜ミラーの膜構造は次式で与えられる。
基板 / H L H L ....H L / 媒質 (1)
ここで、HとLの膜厚dH、dLは4分の1波長の光学膜厚であり、次式で与えられる。
dH=λ0 / 4nH (2)
dL=λ0 / 4nL (3)
最上層Lは媒質と接している。媒質は一般的には空気、樹脂溶剤、固形基板等が考えられる。
(1)式はある基板の上に2種類の誘電体薄膜HとLを交互に積層することを表している。(1)式は次式のように簡便に表すことができる。
基板 / (H L)n / 媒質 (4)
ここで、(4)式はHLのペアの層をn回繰り返し積層することを意味している。
すなわち、
基板 / H L H L H L /媒質 (5)
は
基板 /(H L)3/ 媒質 (6)
と等価である。そして誘電体多層膜の膜構造Aを示すために、以下のように表現する。
A=(H L)3 (7)
次にバンドパスフィルタの一般的な膜構成について説明する。まずバンドパスフィルタの基本共振器構造は次式のように表せる。その断面の概念図を図7に示す。
A= (HL)n H s L H(LH)n L (8)
ここで、nは整数(0,1,2,3,...)であり、sは正の偶数(2,4,6,8,...)である。基板1上に誘電体多層膜2が形成される。(HL)n Hは第1スタック層3、sLはスペーサ層4、H(LH)nは第2スタック層5である。また、最後のL層は結合層6と呼ばれる。
Now, a dielectric multilayer structure for providing the wavelength selectivity described above will be described below. According to the optical filter film design described in Non-Patent
Substrate / H L H L. . . . H L / Medium (1)
Here, the film thicknesses d H and d L of H and L are optical film thicknesses of a quarter wavelength, and are given by the following equations.
d H = λ 0 / 4n H (2)
d L = λ 0 / 4n L (3)
The uppermost layer L is in contact with the medium. In general, the medium may be air, a resin solvent, a solid substrate, or the like.
Formula (1) represents that two types of dielectric thin films H and L are alternately stacked on a certain substrate. The formula (1) can be simply expressed as the following formula.
Substrate / (HL) n / Medium (4)
Here, the equation (4) means that the layer of the HL pair is repeatedly stacked n times.
That is,
Substrate / H L H L H L / medium (5)
Is the substrate / (HL) 3 / medium (6)
Is equivalent to In order to show the film structure A of the dielectric multilayer film, it is expressed as follows.
A = (HL) 3 (7)
Next, a general film configuration of the bandpass filter will be described. First, the basic resonator structure of a bandpass filter can be expressed as: A conceptual diagram of the cross section is shown in FIG.
A = (HL) n H s L H (LH) n L (8)
Here, n is an integer (0, 1, 2, 3,...), And s is a positive even number (2, 4, 6, 8,...). A
従来より一般的に用いられている誘電体多層膜バンドパスフィルタの断面の概念図を図8に示す。このフィルタは、基板7上に(8)式と同様の基本共振器構造2A〜2Cを重ねた多重共振器構造8を持ち、次式のように表せる。
A = [(HL)n H sm L H(LH)n L]m (9)
ここで、nは整数(0,1,2,3,...)であり、mは自然数(1,2,3,...)である。smは基本共振器構造ごとに異なる場合が多く、それぞれ正の偶数(2,4,6,8,...)である。(HL)n Hは第1スタック層、smLはスペーサ層、H(LH)nは第2スタック層である。また、最後のL層は結合層である。
FIG. 8 shows a conceptual diagram of a cross section of a dielectric multilayer bandpass filter that is generally used conventionally. This filter has a
A = [(HL) n H s m L H (LH) n L] m (9)
Here, n is an integer (0, 1, 2, 3,...), And m is a natural number (1, 2, 3,...). s m is often different for each basic resonator structure, respectively positive even number (2, 4, 6, 8, ...). (HL) n H is a first stack layer, s m L is a spacer layer, and H (LH) n is a second stack layer. The last L layer is a bonding layer.
次にハイパス型のエッジフィルタの基本的な膜構造は、次式のように表せる。
A=[0.5H L 0.5H] i (10)
又ローパス型のエッジフィルタの基本的な膜構造は、次式のように表せる。
A=[0.5L H 0.5L] i (11)
これらの基本構造で透過帯域の平坦性を良くするためにTF-Calc等の市販の膜設計ソフトウェアを使用して、全層を任意膜厚にすると、次の一般式を得る。
A=[αjH βjL] j (12)
ここで、 i および jは積層回数であり、この値が大きくなるほど所定波長での立ち上がりが急峻となる。
Next, the basic film structure of the high-pass type edge filter can be expressed by the following equation.
A = [0.5H L 0.5H] i (10)
The basic film structure of the low-pass edge filter can be expressed by the following equation.
A = [0.5L H 0.5L] i (11)
In order to improve the flatness of the transmission band with these basic structures, using the commercially available film design software such as TF-Calc, the following general formula is obtained when all layers are made to have an arbitrary film thickness.
A = [α j H β j L] j (12)
Here, i and j are the number of times of lamination, and as the value increases, the rise at a predetermined wavelength becomes steeper.
波長多重光通信方式においては、隣接波長の光をカットしつつ仕様波長の光を透過させる場合には、所定波長での立ち上がりが良いことや平坦性の良さで多重共振器構造のバンドパスフィルタが用いられている。そして1.3μm帯と1.55μm帯を同時に利用しようとする際に、透過帯域に設定した波長域の反対の帯域、たとえば1.55μm帯を使用する場合には1.3μm帯での反射波形でも平坦性が良いフィルタ設計にすることが望まれる。
しかしながら従来のバンドパスフィルタは阻止領域は100nm前後が限界であった。
In the wavelength division multiplexing optical communication system, when the light of the specified wavelength is transmitted while cutting the light of the adjacent wavelength, the bandpass filter of the multi-resonator structure has a good rise at a predetermined wavelength and good flatness. It is used. And when trying to use the 1.3μm band and 1.55μm band at the same time, when using a band opposite to the wavelength band set as the transmission band, for example, 1.55μm band, even the reflected waveform in the 1.3μm band is flat. It is desirable to have a good filter design.
However, the conventional bandpass filter has a limit of about 100 nm in the blocking region.
従来の設計手法により設計したCWDM用フィルタの透過光学特性を図9(a)に、反射光学特性を図9(b)に示す。横軸は波長[nm]、縦軸は透過率[dB]および反射率[dB]である。入射角は1.25°、入射媒質は樹脂系接着剤である。図9(a)のグラフC1は左側の目盛、C2は右側の目盛によるグラフである。図中のA1(左の目盛)、A2(右の目盛)、A5、A6より高く、A3、A4より低くすることが光通信で要求される。図9(a)のように1.55μm帯のみでの使用など、100nm前後に限られた利用ならば従来の設計手法でまったく問題がない。しかし1.3μm帯と1.55μm帯を同時に利用するなどの100nm以上離れた帯域を同時に利用しようとすると、側波帯と呼ばれる平坦性の悪い透過帯域が発生するので、使用が困難となる。例えば図9(b)に示すように、透過帯域に設定した波長域である1.55μm帯を使用する場合には、他方の帯域1.3μm帯で側波帯が生じる。そのため、1.3μm帯と1.55μm帯とを同時に利用することができない。
The transmission optical characteristics of the CWDM filter designed by the conventional design method are shown in FIG. 9A, and the reflection optical characteristics are shown in FIG. 9B. The horizontal axis represents wavelength [nm], and the vertical axis represents transmittance [dB] and reflectance [dB]. The incident angle is 1.25 °, and the incident medium is a resin adhesive. The graph C1 in FIG. 9A is a graph with a left scale, and C2 is a graph with a right scale. In the figure, optical communication is required to be higher than A1 (left scale), A2 (right scale), A5, and A6 and lower than A3 and A4. As shown in FIG. 9 (a), there is no problem with the conventional design method if the use is limited to around 100 nm, such as use only in the 1.55 μm band. However, when trying to use a
従来の手法ではこのように阻止域が広い場合には、ハイパス型エッジフィルタとローパス型エッジフィルタを組み合わせて最適化した帯域フィルタを使用する方法がある。この特殊な例として、基板両面にフィルタを成膜することが特許文献1で提案されている。しかしこの方法では、光通信で要求される波長精度を出すことが不可能であることと、クロストークと呼ばれるスペクトルの立ち上がりの要求値を満たすことが困難である。
In the conventional method, when the stop band is wide as described above, there is a method of using a band filter optimized by combining a high-pass edge filter and a low-pass edge filter. As a special example,
又他の手法として成膜基板に吸収フィルタを用いて側波帯を抑える手法がある。この場合の特殊な例として、特許文献2に光吸収膜との複合により阻止域を広げることが提案されている。しかしこの場合は阻止域を吸収によりカットするため反射光を利用できない。このように光通信にはどちらの手法も利用することができない。
As another method, there is a method of suppressing sidebands by using an absorption filter on the film formation substrate. As a special example in this case,
そこでフィルタ面に2種類の膜をつければよいが、ただ単純に重ねただけではフィルタの阻止域で干渉の影響がでてしまい反射帯域が平坦でなくなってしまう。透過のみを使用する場合であれば、これらの従来例を応用した例でも可能であるが、構成が複雑になることと、フィルタを複数使用すること、特殊材料を使用するために高価になる、などのデメリットがある。
本発明は複数の誘電体多層膜フィルタを組み合わせることによって、阻止域・反射帯域を拡大するなどの任意の波長特性を有する誘電体多層膜フィルタを実現することを目的とする。 An object of the present invention is to realize a dielectric multilayer filter having an arbitrary wavelength characteristic such as expansion of a stop band / reflection band by combining a plurality of dielectric multilayer filters.
本願の請求項1の発明は、互いに屈折率の異なる2種類以上の誘電体積層構造により構成される第1〜第nのフィルタ部(n≧2の整数)と、これらの複数のフィルタ部の間に夫々挿入され、任意の膜厚の誘電体薄膜材料から成るバッファ層と、を有することを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, the first to n-th filter parts (an integer of n ≧ 2) configured by two or more kinds of dielectric laminated structures having different refractive indexes, and a plurality of these filter parts And a buffer layer made of a dielectric thin film material having an arbitrary thickness.
本願の請求項2の発明は、請求項1の複合誘電体多層膜フィルタにおいて、前記第iのフィルタ部(i=1〜n)は、夫々ある特定の波長領域のみを透過するバンドパスフィルタ部、及びある特定の波長より長波もしくは短波の波長領域を透過するエッジフィルタ部から選択されたいずれかのフィルタであることを特徴とする。
The invention according to
本願の請求項3の発明は、請求項1の複合誘電体多層膜フィルタにおいて、前記フィルタ部の数nは2であり、前記第1のフィルタ部は、ある特定の波長領域のみを透過させるバンドパスフィルタ部であり、前記第2のフィルタ部は、ある特定の波長より長波、もしくは短波の波長領域を透過するエッジフィルタ部であり、前記バンドパスフィルタ部は、少なくとも1つの基本共振器構造からなり、前記基本共振器構造は、透過波長の4分の1波長の光学膜厚の奇数倍の膜厚を有する誘電体薄膜材料とこれより低い屈折率を持つ誘電体薄膜材料の積層構造によりなる第1,第2のスタック層と、前記第1,第2のスタック層にはさまれ、前記4分の1波長の光学膜厚の偶数倍の膜厚を有する前記いずれかの光学薄膜の層により構成されるスペーサ層とを含むことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the composite dielectric multilayer filter according to the first aspect, the number n of the filter portions is 2, and the first filter portion is a band that transmits only a specific wavelength region. The second filter unit is an edge filter unit that transmits a wavelength region longer or shorter than a specific wavelength, and the band-pass filter unit includes at least one basic resonator structure. The basic resonator structure is composed of a laminated structure of a dielectric thin film material having a film thickness that is an odd multiple of the optical film thickness of a quarter wavelength of the transmission wavelength and a dielectric thin film material having a lower refractive index. Any of the optical thin film layers sandwiched between the first and second stack layers and the first and second stack layers and having an even multiple of the optical thickness of the quarter wavelength. Spare consisting of Characterized in that it comprises a support layer.
本願の請求項4の発明は、請求項1の複合誘電体多層膜フィルタにおいて、前記フィルタ部の数nは2であり、前記第1のフィルタ部は、互いに屈折率の異なる2種類以上の誘電体薄膜の積層構造により構成される、ある特定の波長(λ1)より短い波長の光を透過するハイパス型のエッジフィルタ部であり、前記第2のフィルタ部は、互いに屈折率の異なる2種類以上の誘電体薄膜の積層構造により構成される他の特定の波長λ2(λ1>λ2)より長い波長の光を透過するローパス型のエッジフィルタ部であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the composite dielectric multilayer filter according to the first aspect, the number n of the filter portions is 2, and the first filter portion has two or more kinds of dielectrics having different refractive indexes. A high-pass edge filter unit that is configured by a laminated structure of body thin films and transmits light having a wavelength shorter than a specific wavelength (λ1). The second filter unit includes two or more types having different refractive indexes. It is a low-pass type edge filter section that transmits light having a wavelength longer than another specific wavelength λ2 (λ1> λ2), which is configured by a laminated structure of dielectric thin films.
本願の請求項5の発明は、請求項2〜4のいずれか1項記載の複合誘電体多層膜フィルタにおいて、前記バッファ層の光学膜厚は、前記バンドパスフィルタの透過波長の4分の1波長の光学膜厚の整数倍の膜厚を有することを特徴とする。
The invention according to
このような特徴を有する本発明の誘電体多層膜フィルタは、複数のフィルタ部を相互の干渉なく組み合わせることができ、単独では得られない特性を実現することができる。長波長通過フィルタ、短波長通過フィルタ等のエッジフィルタとバンドパスフィルタ等の複数のフィルタの組み合わせにより、粗波長分割マルチプレキシング(Coarse Wavelength Division Multiplexing:CWDM)ネットワークシステムに適した高性能な誘電体多層膜フィルタ構造を実現することができる。 The dielectric multilayer filter of the present invention having such characteristics can combine a plurality of filter portions without mutual interference, and can realize characteristics that cannot be obtained independently. High-performance dielectric multilayer suitable for coarse wavelength division multiplexing (CWDM) network systems by combining multiple filters such as edge filters such as long wavelength pass filters and short wavelength pass filters and band pass filters A membrane filter structure can be realized.
発明者は多層膜フィルタにおいて、次式で与えられるように複数のフィルタを組み合わせてその間の干渉を防ぐためにバッファ層を含んだ膜構造とすることによって、複数の帯域を同時に使用できるフィルタ設計を見出した。例えば、1.3μm帯と1.55μm帯を同時に利用しようとする際に、透過帯域に設定した波長域の反対の帯域、例えば1.55μm帯を使用する場合には1.3μm帯でも平坦性が良くすることができる。その膜構成を式12に、その断面の概念図を図1に示す。 The inventor has found a filter design in which a plurality of bands can be used simultaneously by combining a plurality of filters as shown in the following formula and forming a film structure including a buffer layer to prevent interference between them in the multilayer filter. It was. For example, when trying to use the 1.3 μm band and 1.55 μm band at the same time, when using a band opposite to the wavelength band set as the transmission band, for example, the 1.55 μm band, the flatness should be improved even in the 1.3 μm band. Can do. The film configuration is shown in Equation 12, and a conceptual diagram of the cross section is shown in FIG.
この複合多層膜フィルタは基板10上に多重共振器構造から成るバンドパスフィルタ部12、バッファ層13、エッジフィルタ部14が積層されたものである。バンドパスフィルタ部12は前述した構成をさらに一般化したものでm重共振器構造である。Xはバンドパスフィルタの透過波長の4分の1波長の光学膜厚の奇数倍の膜厚を有する高屈折率材か低屈折材の誘電体薄膜であり、Yはそれ以外の屈折率材の4分の1波長の光学膜厚の奇数倍の膜厚を有する誘電体薄膜である。ここで、Zはバッファ層13であり、任意の屈折率材で4分の1波長膜厚の整数倍の膜厚を有する誘電体薄膜である。同様にHはバンドパスフィルタの透過波長の4分の1波長の光学膜厚を有する高屈折率材の誘電体薄膜であり、Lは低屈折率材の4分の1波長膜厚を有する誘電体薄膜である。つまりXとY、及びHとLは互いに異なる屈折率を有している。ここで、a1〜am、b1〜bm、c、α、β、γ、ej、fj、m、jは以下の値とする。
a1〜am 0,1,2,3,4,・・・
b1〜bm 0,2,4,6,8,・・・
c 0,1,2,3,4,5・・・
e1〜ej,f1〜fj 0以上の実数
α,β,γ 0以上の実数
m,j 1,2,3,4,・・・
尚、a1〜am、b1〜bmは基本共振器ごとに異なる場合が多く、e1〜ej、f1〜fjは層毎に異なる場合が多い。
This composite multilayer filter is obtained by laminating a bandpass filter unit 12, a buffer layer 13, and an edge filter unit 14 having a multi-resonator structure on a
a 1 to a m 0, 1, 2, 3, 4,.
b 1 to
e 1 to e j , f 1 to f j 0 or more real numbers α, β,
Note that a 1 to a m and b 1 to b m are often different for each basic resonator, and e 1 to e j and f 1 to f j are often different for each layer.
なお、本発明の誘電体多層膜バンドパスフィルタにおいて、基板11には使用波長域において透明な広範囲の材料(例えば、光学結晶、光学ガラス、石英、透明プラスチック、ポリマー材等)を適用することができる。 In the dielectric multilayer bandpass filter of the present invention, a wide range of materials (for example, optical crystal, optical glass, quartz, transparent plastic, polymer material, etc.) that are transparent in the used wavelength range can be applied to the substrate 11. it can.
誘電体多層膜バンドパスフィルタを構成する光学薄膜材料には、適用波長域において透明で現在一般的に使用されている誘電体材料より選択できる。例えば、フッ化カルシウムCaF2(屈折率、以下同じ1.23)、フッ化マグネシウムMgF2(1.38)、二酸化シリコンSiO2(1.46)、酸化マグネシウムMgO(1.80)、五酸化タンタルTa2O5(2.13)、五酸化ニオブNb2O5(2.25)、二酸化チタンTiO2(2.45)、セレン化亜鉛ZnSe(2.40)、テルル化鉛PbTe(5.67)、窒化アルミニウムAlN(1.94)、窒化シリコンSi3N4(1.95)、シリコンSi(3.4)、ゲルマニウムGe(4.0)等の光学材料である。 The optical thin film material constituting the dielectric multilayer bandpass filter can be selected from dielectric materials that are transparent in the applicable wavelength range and are generally used at present. For example, calcium fluoride CaF 2 (refractive index, hereinafter the same 1.23), magnesium fluoride MgF 2 (1.38), silicon dioxide SiO 2 (1.46), magnesium oxide MgO (1.80), pentoxide Tantalum Ta 2 O 5 (2.13), niobium pentoxide Nb 2 O 5 (2.25), titanium dioxide TiO 2 (2.45), zinc selenide ZnSe (2.40), lead telluride PbTe (5 .67), aluminum nitride AlN (1.94), silicon nitride Si 3 N 4 (1.95), silicon Si (3.4), germanium Ge (4.0), and the like.
これらの光学薄膜は、例えば電子ビーム蒸着法、イオンアシスト蒸着法、DCマグネトロンスパッタ法、RFマグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング法、イオンビームスパッタ法、分子線エピタキシー法、化学気相蒸着、ディップコーティング法など従来より用いられている製法が使用できる。フィルタを構成する多層膜設計においては、市販されている膜設計ソフトウエアが使用できる。例えばTF-Calc(Software Spectra, Inc.)、Essential Macload(Thin-Film Center, Inc.)などは光通信業界において主に使用されている。 These optical thin films are, for example, electron beam vapor deposition, ion assisted vapor deposition, DC magnetron sputtering, RF magnetron sputtering, ion plating, ion beam sputtering, molecular beam epitaxy, chemical vapor deposition, dip coating. A conventionally used manufacturing method can be used. In designing the multilayer film constituting the filter, commercially available film design software can be used. For example, TF-Calc (Software Spectra, Inc.), Essential Macload (Thin-Film Center, Inc.), etc. are mainly used in the optical communication industry.
このように1.55μm帯を透過帯域とする通常のバンドパスフィルタだけでは、透過帯域に設定した波長域の反対の帯域、たとえば1.55μm帯を使用する場合には1.3μm帯で、平坦性の悪い透過帯域が生じる。これを阻止するために、図1(b)に示すように1.55μm帯のバンドパスフィルタ部12に加えて、例えば1.4μmをカットオフ波長とするローパス型のエッジフィルタ部14を用いて1.3μm帯を遮断する。この場合、バッファ層13を設けることによって夫々の干渉を防ぐことができる。 In this way, with only a normal bandpass filter having a transmission band of 1.55 μm band, the band opposite to the wavelength band set as the transmission band, for example, 1.3 μm band when using the 1.55 μm band, has poor flatness. A transmission band is generated. In order to prevent this, as shown in FIG. 1B, in addition to the band-pass filter unit 12 in the 1.55 μm band, for example, a low-pass type edge filter unit 14 having a cutoff wavelength of 1.4 μm is used to obtain 1.3 μm. Cut off the belt. In this case, the interference can be prevented by providing the buffer layer 13.
その場合の使用例として図2に通信用WDMモジュールの構成例を示す。図2(a)において入射用の光ファイバ21、出射用の光ファイバ22には円筒型のキャピラリ23、GRINレンズ24が接続され、その端部に前述したバンドパスフィルタ部とエッジフィルタ部を複合した複合多層膜フィルタ10が接続されている。キャピラリ23には光ファイバ21に連結された光ファイバ21aコア、光ファイバ22に夫々連結された光ファイバコア22aが設けられる。又このフィルタに近接してGRINレンズ25、キャピラリ26が連結され、ADD及びDROP用の光ファイバ27が設けられる。図中のフィルタ10の一方の面10aにバンドパスフィルタとエッジフィルタの多層膜フィルタが形成され、透過波長を制限することができる。フィルタの他方の面10bにARコートが成膜されている。光ファイバ21に波長多重光が入射すると、キャピラリ23の光ファイバコア21aを透過してGRINレンズ24により光の径が拡げられ、フィルタ部を通過する。これ以外の光は反射して光ファイバ22より出射される。このときバンドパスフィルタを透過した光はGRINレンズ25を透過して光ファイバ27より出射(DROP)される。又同一波長の光を光ファイバ27より入射(ADD)すると、GRINレンズ25を介して複合多層膜フィルタ10を透過し、GRINレンズ24によって集束されて光ファイバ22に加わる。このようにして波長分割多重光通信におけるADD、DROP用の光学モジュールとして用いることができる。
FIG. 2 shows a configuration example of a communication WDM module as an example of use in that case. In FIG. 2A, a
又この実施の形態では、バンドパスフィルタ部とエッジフィルタ部とをバッファ層を介して連結した構成を示しているが、2つの異なるエッジフィルタ部を組み合わせて複合誘電体多層膜フィルタを構成することができる。この場合にはハイパス型のエッジフィルタの遮断波長λ1とローパス型のエッジフィルタの遮断波長λ2とを異ならせ、λ1>λ2となるように選択することによってλ1とλ2の範囲で光を通過させる広帯域のバンドパスフィルタとして構成することができる。 In this embodiment, a configuration in which a band pass filter unit and an edge filter unit are connected via a buffer layer is shown. However, a composite dielectric multilayer filter is configured by combining two different edge filter units. Can do. In this case, the cut-off wavelength λ1 of the high-pass type edge filter and the cut-off wavelength λ2 of the low-pass type edge filter are made different so that λ1> λ2 is selected so that light can pass in the range of λ1 and λ2. It can be configured as a band pass filter.
又この実施の形態では2つのフィルタ部をバッファ層を介して連結しているが、3以上のフィルタ部を夫々バッファ層を介して連結した複合フィルタとして構成することもできる。更にバッファ層は選択波長の4分の1波長の光学薄膜の整数倍が簡易であるが、干渉による反射帯域の鋭いディップを抑えられる膜厚であれば、任意の波長で任意の光学膜厚として構成することができる。 In this embodiment, two filter sections are connected via a buffer layer. However, a composite filter in which three or more filter sections are connected via a buffer layer can be used. Furthermore, the buffer layer is easy to be an integral multiple of an optical thin film with a quarter wavelength of the selected wavelength, but any optical film thickness at any wavelength can be used as long as it is capable of suppressing sharp dip in the reflection band due to interference. Can be configured.
(実施例1)
本発明による複合誘電体多層膜フィルタの実施例1として、粗波長分割マルチプレキシング(Coarse Wavelength Division Multiplexing :CWDM)光通信ネットワークシステム用のバンドパスフィルタの構成例を示す。このバンドパスフィルタ30は、基板31上にバンドパスフィルタ部32とローパス型のエッジフィルタ部34とをバッファ層33を用いて結合させたものである。このバンドパスフィルタ部32の透過波長を1550nmとし、1.3μm帯を反射させる設計とした。基板は(株)オハラ製結晶化ガラスWMS−15基板を用い、バンドパスフィルタ部32及びローパス型のエッジフィルタ部34には、高屈折率の誘電体薄膜HとしてTa2O5膜(屈折率nH=2.15)を用い、抵屈折率の誘電体薄膜LとしてSiO2膜(屈折率nL=1.46)を用いた。本実施例の膜構成を式13に示す。
(Example 1)
As a first embodiment of the composite dielectric multilayer filter according to the present invention, a configuration example of a bandpass filter for a coarse wavelength division multiplexing (CWDM) optical communication network system is shown. This
ここで式13の中央部の6Hがバッファ層33であり、これより基板に近い部分がバンドパスフィルタ部32、バッファ層33より外部がエッジフィルタ部34を構成している。 Here, 6H at the center of Expression 13 is the buffer layer 33, and the portion closer to the substrate than this constitutes the band-pass filter portion 32, and the outside of the buffer layer 33 constitutes the edge filter portion 34.
又これと同時に、式13のうち、バッファ層33を除いたバンドパスフィルタ35を比較例として作成した。この比較例についての透過特性と反射特性とを図3(a),図3(b)に示す。光通信では図中のB1,B2,B4より高く、B3,B5より低くすることが要求される。バンドパスフィルタの半値全幅は18nmである。このフィルタの中心波長は1550nmで、フィルタの透過バンド域は平坦性に優れ、低挿入損失であり透過帯域では十分な特性である。しかし図3(a)で分かるように反射特性では、1450nm付近に干渉による鋭いディップが存在し、光通信で使用するには困難なレベルの反射光量の落ち込みがある。
At the same time, a band-
次に実施例1の複合誘電体多層膜フィルタの透過帯域の特性と反射特性を図4(a)、図4(b)に示す。図中のB1〜B5は図3と同じく光通信で要求されるレベルである。透過特性は図3と同様に十分な特性であった。さらに反射特性もバッファ層33を入れることで干渉の効果が軽減され、1450nmのディップが光通信上問題のないレベルになっていることが分かる。 Next, the transmission band characteristics and reflection characteristics of the composite dielectric multilayer filter of Example 1 are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). B1 to B5 in the figure are levels required for optical communication as in FIG. The transmission characteristics were sufficient as in FIG. In addition, it can be seen that the reflection effect is reduced by including the buffer layer 33, and the 1450 nm dip is at a level causing no problem in optical communication.
(実施例2)
次に本発明の実施例2として、可視域の光を透過させる広帯域のカラーフィルタの構成例を示す。このカラーフィルタは、ハイパス型のエッジフィルタ部とローパス型のエッジフィルタ部をバッファ層を用いて結合させ、広帯域のバンドパスフィルタを構成したものである。基板は松浪ガラス(株)製#0200(屈折率1.53)を用いた。エッジフィルタには、高屈折率の誘電体薄膜HとしてTiO2膜(屈折率nH=2.45)を用い、抵屈折率の誘電体薄膜LとしてMgF2膜(屈折率nL=1.38)を用いた。又バッファ層AにはSiO2膜(屈折率nA=1.46)を用いた。本実施例の膜構成を式14に示す。式14でH,Lはそれぞれ中心波長550nmに対しての4分の1波長の光学膜厚である。
(Example 2)
Next, as a second embodiment of the present invention, a configuration example of a broadband color filter that transmits light in the visible range is shown. This color filter is configured by combining a high-pass type edge filter unit and a low-pass type edge filter unit using a buffer layer to form a broadband band-pass filter. The substrate used was # 0200 (refractive index 1.53) manufactured by Matsunami Glass Co., Ltd. In the edge filter, a TiO 2 film (refractive index n H = 2.45) is used as the dielectric thin film H having a high refractive index, and an MgF 2 film (refractive index n L = 1.4) is used as the dielectric thin film L having a refractive index. 38) was used. For the buffer layer A, a SiO 2 film (refractive index n A = 1.46) was used. The film configuration of this example is shown in Formula 14. In Expression 14, H and L are optical film thicknesses of a quarter wavelength with respect to the center wavelength of 550 nm, respectively.
ここで式14において、基板41上に中央部のエッジフィルタ部42、バッファ層43、エッジフィルタ部44を構成している。 Here, in Expression 14, the center edge filter section 42, the buffer layer 43, and the edge filter section 44 are formed on the substrate 41.
又前述した式14の中で、バッファ層43を除いた複合誘電体多層膜フィルタ45を比較例として作成した。この比較例のフィルタの透過特性を図5に示す。図中T1は左側の目盛、T2は右側の目盛によるグラフである。図中でC1〜C4は可視域用カラーフィルタにおいて、C1,C2より高く、C3,C4より低くすることが要求されるレベルである。又実施例2の複合誘電体多層膜フィルタの特性を図6に示す。比較例のフィルタ46では図5のように透過の阻止域に干渉によるピークが発生している。 Further, in the above-described formula 14, a composite dielectric multilayer filter 45 excluding the buffer layer 43 was prepared as a comparative example. The transmission characteristics of the filter of this comparative example are shown in FIG. In the figure, T1 is a graph with a left scale, and T2 is a graph with a right scale. In the figure, C1 to C4 are levels required to be higher than C1 and C2 and lower than C3 and C4 in the visible color filter. The characteristics of the composite dielectric multilayer filter of Example 2 are shown in FIG. In the filter 46 of the comparative example, a peak due to interference occurs in the transmission blocking region as shown in FIG.
ハイパス型エッジフィルタの透過スペクトルの立ち上がり部分において透過率が50%になる波長をカットオン波長という。図6においてハイパス部のカットオン波長は470nmとなっている。ローパス型エッジフィルタの透過スペクトルの立下り部分において透過率が50%になる波長でカットオフ波長という。図6においてローパス部のカットオフ波長は585nmとなっており、透過帯域幅は115nmである。バッファ層43を入れた本実施例2のフィルタでは図6に示すように、夫々の波形を保ったまま合成することができ、広帯域のバンドパスフィルタを構成することができる。 The wavelength at which the transmittance is 50% at the rising portion of the transmission spectrum of the high-pass edge filter is called the cut-on wavelength. In FIG. 6, the cut-on wavelength of the high-pass part is 470 nm. The wavelength at which the transmittance is 50% at the falling edge of the transmission spectrum of the low-pass edge filter is called the cutoff wavelength. In FIG. 6, the cutoff wavelength of the low-pass portion is 585 nm, and the transmission bandwidth is 115 nm. As shown in FIG. 6, the filter of the second embodiment including the buffer layer 43 can be synthesized while maintaining the respective waveforms, and a wide bandpass filter can be configured.
本発明にかかる複合誘電体多層膜フィルタは、複数のフィルタを干渉なく組み合わせることができる。このため通信で使用する1.3μm帯と1.55μm帯を併用する際のバンドパスフィルタなど光通信に使用することができる。プロジェクタのカラーフィルタの部分にも適用することができる。 The composite dielectric multilayer filter according to the present invention can combine a plurality of filters without interference. For this reason, it can be used for optical communication such as a band-pass filter when the 1.3 μm band and 1.55 μm band used in communication are used together. It can also be applied to the color filter portion of the projector.
12,32 バンドパスフィルタ部
11,21,31,41 基板
13,33,43 バッファ層
14,34,42,44 エッジフィルタ部
21,22,27 光フィルタ
23,26 キャピラリ
24,25 GRINレンズ
12, 32 Band
Claims (5)
これらの複数のフィルタ部の間に夫々挿入され、任意の膜厚の誘電体薄膜材料から成るバッファ層と、を有することを特徴とする複合誘電体多層膜フィルタ。 First to n-th filter parts (an integer of n ≧ 2) constituted by two or more kinds of dielectric laminated structures having different refractive indexes;
And a buffer layer made of a dielectric thin film material having an arbitrary thickness and inserted between the plurality of filter sections.
前記第1のフィルタ部は、ある特定の波長領域のみを透過させるバンドパスフィルタ部であり、
前記第2のフィルタ部は、ある特定の波長より長波、もしくは短波の波長領域を透過するエッジフィルタ部であり、
前記バンドパスフィルタ部は、少なくとも1つの基本共振器構造からなり、
前記基本共振器構造は、透過波長の4分の1波長の光学膜厚の奇数倍の膜厚を有する誘電体薄膜材料とこれより低い屈折率を持つ誘電体薄膜材料の積層構造によりなる第1,第2のスタック層と、前記第1,第2のスタック層にはさまれ、前記4分の1波長の光学膜厚の偶数倍の膜厚を有する前記いずれかの光学薄膜の層により構成されるスペーサ層とを含むことを特徴とする請求項1記載の複合誘電体多層膜フィルタ。 The number n of the filter units is 2,
The first filter unit is a bandpass filter unit that transmits only a specific wavelength region,
The second filter unit is an edge filter unit that transmits a longer wave or a shorter wave region than a specific wavelength,
The bandpass filter unit is composed of at least one basic resonator structure,
The basic resonator structure is a first structure composed of a dielectric thin film material having a film thickness that is an odd multiple of the optical film thickness of a quarter wavelength of the transmission wavelength and a dielectric thin film material having a refractive index lower than that. , Composed of a second stack layer and any one of the optical thin film layers sandwiched between the first and second stack layers and having an even multiple of the optical thickness of the quarter wavelength. The composite dielectric multilayer filter according to claim 1, further comprising a spacer layer.
前記第1のフィルタ部は、互いに屈折率の異なる2種類以上の誘電体薄膜の積層構造により構成される、ある特定の波長(λ1)より短い波長の光を透過するハイパス型のエッジフィルタ部であり、
前記第2のフィルタ部は、互いに屈折率の異なる2種類以上の誘電体薄膜の積層構造により構成される他の特定の波長λ2(λ1>λ2)より長い波長の光を透過するローパス型のエッジフィルタ部であることを特徴とする請求項1記載の複合誘電体多層膜フィルタ。 The number n of the filter units is 2,
The first filter unit is a high-pass edge filter unit configured to transmit light having a wavelength shorter than a specific wavelength (λ1), which is configured by a laminated structure of two or more kinds of dielectric thin films having different refractive indexes. Yes,
The second filter section is a low-pass edge that transmits light having a wavelength longer than another specific wavelength λ2 (λ1> λ2) constituted by a laminated structure of two or more kinds of dielectric thin films having different refractive indexes. 2. The composite dielectric multilayer filter according to claim 1, wherein the composite dielectric multilayer filter is a filter section.
The optical thickness of the buffer layer has a thickness that is an integral multiple of an optical thickness of a quarter wavelength of the transmission wavelength of the bandpass filter. Composite dielectric multilayer filter.
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