JP2008241912A - Wavelength filter - Google Patents
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Description
本発明は光計測技術の分野に属する。特に測定対象とする信号光のスペクトルから所望の波長成分のみを取り出すことを目的とした、いわゆる光波長フィルターの構成に関するものである。 The present invention belongs to the field of optical measurement technology. In particular, the present invention relates to a configuration of a so-called optical wavelength filter for extracting only a desired wavelength component from a spectrum of signal light to be measured.
波長フィルターは様々な波長成分を持つ光信号から、所望の波長範囲の光を取り出す、または特定の波長範囲の光成分のみを除去する素子であり、光画像計測、光ファイバー通信、顕微蛍光分光など、光を扱うほとんどすべての工学領域において多用される。波長フィルターの種類として、特定の波長範囲のみを通過させ、その前後の波長は抑制する帯域通過フィルター(バンドパスフィルター)、その逆に特定の波長範囲の光のみ抑制する帯域除去フィルタ(バンドリジェクションフィルター)、ある波長を境に透過と抑制が反転する階段型フィルター(エッジフィルター)などがある。 A wavelength filter is an element that extracts light in a desired wavelength range from an optical signal having various wavelength components, or removes only a light component in a specific wavelength range, such as optical image measurement, optical fiber communication, and microscopic fluorescence spectroscopy. It is frequently used in almost all engineering fields dealing with light. As a type of wavelength filter, a bandpass filter (bandpass filter) that passes only a specific wavelength range and suppresses the wavelengths before and after that, and vice versa, a band removal filter (band rejection) that suppresses only light in a specific wavelength range. Filter), and a step type filter (edge filter) in which transmission and suppression are reversed at a certain wavelength.
このうち、特に帯域除去フィルターと階段型フィルターにおいては、抑制されるべき波長帯における光の残留透過率ができるだけ小さいこと、そして透過波長帯から抑制波長帯への切り替わりが急峻なことが要求される。後者は、透過と抑制の波長帯の中間に存在する遷移波長帯の幅ができるだけ狭いことが必要とされる、と表現することもできる。これらの特性は波長の異なる複数のレーザー光を信号に用いる光ファイバー通信において、特定の波長チャンネルのみ選択的に通過または除去しなければならないデバイスを構成する際に必須となる。またたとえばレーザーラマン分光のようにレーザーによる高強度の励起光波長成分のみを観測視野内から選択的に除去したい場合などにも必須である。 Of these, especially in the band elimination filter and the staircase filter, it is required that the residual transmittance of light in the wavelength band to be suppressed is as small as possible, and that the switching from the transmission wavelength band to the suppression wavelength band is steep. . The latter can also be expressed as requiring that the width of the transition wavelength band existing between the transmission and suppression wavelength bands be as narrow as possible. These characteristics are indispensable when constructing a device in which only a specific wavelength channel must be selectively passed or removed in optical fiber communication using a plurality of laser beams having different wavelengths as signals. It is also essential when, for example, laser Raman spectroscopy is used to selectively remove only the high-intensity excitation light wavelength component from the laser from the observation field.
上述した2つの重要な特性、すなわち低い残留透過率と狭い遷移波長幅を実現するための光波長フィルターの構成法として、従来から誘電体交互多層膜構造が用いられてきた(特許文献1、特許文献2)。 As an optical wavelength filter configuration method for realizing the above-mentioned two important characteristics, that is, a low residual transmittance and a narrow transition wavelength width, a dielectric alternate multilayer film structure has been conventionally used (Patent Document 1, Patent). Reference 2).
屈折率がn1、厚みがd1である膜材料1と、屈折率がn2、厚みがd2である膜材料2からなる交互多層膜においては、一般に光波長をλ0とするとき、(n1d1+n2d2)=mλ0/2を満たす波長の近傍においてブラッグ反射による光学的遮断域、すなわちバンドギャップが生じる。なお次数mは1以上の整数である。このバンドギャップにおいては光のパワーの多くが多層膜から反射され、透過出来ないため、このバンドギャップの波長帯は帯域除去フィルターとして利用される。またバンドギャップの端付近の波長帯は、エッジフィルターとして利用される。バンドギャップが深いことと残留透過率が小さいこと、遷移領域の幅が狭いことはほぼ等価である。また平坦な膜からなる交互多層膜の場合、光の周波数の単位で表したバンドギャップの幅と、バンドギャップの中心周波数における膜の1周期あたりの光減衰率は比例関係にある。従って深いバンドギャップを設けるにはバンドギャップの幅を広げることが必要となる。
Refractive index n 1, a film material 1 is thickness d 1, in alternate multilayer film in which the refractive index is the n 2, the film material 2 has a thickness of d 2, generally when the light wavelength is lambda 0, optical cutoff range by Bragg reflection in the vicinity of the wavelength satisfying the (n 1 d 1 + n 2 d 2) =
さて、膜材料1と膜材料2が与えられた場合、n1d1=n2d2を満たす場合に最も広く、深いバンドギャップが実現される。換言すれば、膜材料と、製造する膜の総層数が予め決まっている場合、平坦な多層膜構造ではこれを超える性能の帯域除去フィルターやエッジフィルターを実現することはできない。
本発明は上述した従来の平坦多層膜型波長フィルターが有していた、バンドギャップの深さ及び遷移領域の幅に関する制限の問題を解決することを目的とする。
本発明は、バンドギャップが深く、遷移波長領域の幅が狭い波長フィルターを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the problem of limitations related to the band gap depth and the width of the transition region, which the above-described conventional flat multilayer film type wavelength filter has.
An object of the present invention is to provide a wavelength filter having a wide band gap and a narrow transition wavelength region.
請求項1に係る発明は、3次元空間xyzにおいてz方向には屈折率の異なる材料からなる交互多層膜構造をなし、
x方向には屈折率が周期pをもって周期的に変動しており、y方向には周期がq(q≧p)をもって周期的に変動している構造体からなり、z軸に平行に入射する光の真空中での波長をλ0とするときp≦λ0、q>(λ0/3)を満たすようにしたことを特徴とする波長フィルターである。
The invention according to claim 1 has an alternate multilayer film structure made of materials having different refractive indexes in the z direction in the three-dimensional space xyz,
In the x direction, the refractive index periodically changes with a period p, and in the y direction, the refractive index periodically changes with q (q ≧ p), and is incident parallel to the z axis. is a wavelength filter which is characterized in that the p ≦ λ 0, q> (
請求項2に係る発明は、3次元空間xyzにおいてz方向には屈折率の異なる材料からなる交互多層膜構造をなし、
x方向には屈折率が周期pをもって周期的に変動しており、y方向には屈折率分布が一様である構造体からなり、z軸に平行に入射する光の真空中での波長をλ0とするとき(λ0/3)<p≦λ0を満たすようにしたことを特徴とする波長フィルターである。
The invention according to claim 2 has an alternate multilayer film structure made of materials having different refractive indexes in the z direction in the three-dimensional space xyz,
In the x direction, the refractive index fluctuates periodically with a period p, and in the y direction, the refractive index distribution is uniform, and the wavelength of light incident in parallel to the z axis in vacuum is determined. lambda 0 to time (λ 0/3) <a wavelength filter which is characterized in that so as to satisfy p ≦ λ 0.
請求項3に係る発明は、前記構造体は、2次元的に周期的な凹凸を持つ基板の上に2種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層全体の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより形成した構造体であることを特徴とする請求項1又は2記載の波長フィルターである。 According to a third aspect of the present invention, in the structure, two or more kinds of substances are periodically and sequentially laminated on a substrate having two-dimensional periodic unevenness, and at least a part of the whole lamination is sputtered. 3. The wavelength filter according to claim 1, wherein the wavelength filter is a structure formed by using etching alone or simultaneously with film formation.
請求項4に係る発明は、前記構造体は、平坦な交互多層膜に対し、xy平面内で周期的に形成された溝の列もしくは孔の列を形成した構造体であることを特徴とする請求項1又は2記載の波長フィルター。 The invention according to claim 4 is characterized in that the structure is a structure in which a row of grooves or a row of holes periodically formed in an xy plane is formed on a flat alternating multilayer film. The wavelength filter according to claim 1 or 2.
本発明においては、面内方向にも屈折率が周期的に変調するような多層膜構造とすることで課題の解決を図る。面内にも屈折率周期性を有する多層膜構造においては、面内方向に伝搬する電磁界モードに起因するバンドギャップが生じるが、このバンドギャップにおける減衰定数の周波数依存性を、従来の平面多層膜の有する減衰定数に比べ急峻とすることが面内の屈折率変調の周期や変調の構造の設計によって可能である。 In the present invention, the problem is solved by adopting a multilayer film structure in which the refractive index is periodically modulated also in the in-plane direction. In a multilayer film structure having a refractive index periodicity also in the plane, a band gap is generated due to the electromagnetic field mode propagating in the in-plane direction. The frequency dependence of the attenuation constant in this band gap is compared with the conventional planar multilayer structure. It is possible to make it steeper than the attenuation constant of the film by designing the in-plane refractive index modulation period and the modulation structure.
つまり、本発明においては、多層膜を平坦膜ではなく、基板に平行な面内に周期的に構造が変化する膜構造とする。
3次元空間xyzにおいてフィルターの基板面をxy面、基板の法線方向をzとするとき、従来型の平坦多層膜型波長フィルターでは屈折率分布がz方向にのみ変化する、いわば「1次元屈折率周期構造」であった(特許文献1、特許文献2)。
That is, in the present invention, the multilayer film is not a flat film but a film structure whose structure periodically changes in a plane parallel to the substrate.
In the three-dimensional space xyz, when the substrate surface of the filter is the xy surface and the normal direction of the substrate is z, the refractive index distribution is changed only in the z direction in the conventional flat multilayered wavelength filter. Rate periodic structure ”(Patent Document 1, Patent Document 2).
これに対し、本発明ではx方向、もしくはxとyの2方向にも屈折率分布が周期的に変動する、「2次元屈折率周期構造」または「3次元屈折率周期構造」とする。例えばx方向にも屈折率変調のある2次元周期構造を考える。2次元周期構造中を伝搬する光のモードには、1次元周期構造中をz方向に直進しながら伝搬するのとほぼ同じ性質を持ったモードの他に、x方向に伝搬するモードとz方向に伝搬するモードが結合して生じた面内伝搬型の電磁界モードが存在し、その影響で新たなバンドギャップも生じる。この面内伝搬型モードのバンドギャップは、場合によっては1次元周期構造中の従来型のバンドギャップよりも深く、遷移領域の幅も狭くなりうるので、この効果を利用する。 In contrast, in the present invention, a “two-dimensional refractive index periodic structure” or a “three-dimensional refractive index periodic structure” in which the refractive index distribution periodically fluctuates also in the x direction or the two directions x and y is used. For example, consider a two-dimensional periodic structure with refractive index modulation in the x direction. The modes of light propagating in the two-dimensional periodic structure include modes having substantially the same properties as propagating in the one-dimensional periodic structure while traveling straight in the z direction, as well as modes propagating in the x direction and the z direction. There is an in-plane propagation type electromagnetic field mode generated by coupling modes propagating to each other, and a new band gap is also generated by the influence. This in-plane propagation mode bandgap is sometimes deeper than the conventional bandgap in the one-dimensional periodic structure, and the width of the transition region can be narrowed. Therefore, this effect is utilized.
具体的な2次元または3次元周期構造の形態として、周期的な溝または孔の列の形成された基板上に多層膜を成膜することで作製される「自己クローニング型波板膜構造」(特許文献3、非特許文献1)や、一旦基板上に平坦な交互多層膜を積層した後、その表面から周期的な溝または孔の列をエッチングで掘る構造(例えば非特許文献2に記載)などがある。 As a specific form of the two-dimensional or three-dimensional periodic structure, a “self-cloning corrugated film structure” produced by depositing a multilayer film on a substrate on which periodic grooves or rows of holes are formed ( Patent Document 3, Non-Patent Document 1) and a structure in which a flat alternating multilayer film is once laminated on a substrate, and then a periodic groove or a row of holes is etched from the surface (for example, described in Non-Patent Document 2) and so on.
なお、請求項1において、p≦λ0とした場合におけるより好ましい範囲は、λ0/3≦p≦λ0である。これにより、平坦膜構造より狭い遷移波長幅と深いバンドギャップ特性という効果も得られる。pの下限としては、λ0/3が好ましい。かかる下限を超えると遷移波長幅やバンドギャップ深さの特性が平坦膜構造と同程度か、あるいはそれより低くなってしまう。
請求項2において、より好ましい範囲は、λ0/3≦p≦λ0である。なお、下限である。(λ0/3)以下では、遷移波長幅やバンドギャップ深さの特性が平坦膜構造の特性より大幅に優れる効果が失われてしまう。
本発明においては、平坦多層膜にも存在する膜に垂直に伝搬するモードと、2次元周期構造化することで現れる面内伝搬モードとが結合して深いバンドギャップが生じるための条件は、2次元格子の屈折率が至るところ1と仮定した最も単純な「空格子モデル」を想定した場合、面内格子定数をp、波長をλ0、積層周期をaとすると、p=a=λ0と表される。現実の屈折率分布のある多層膜構造ではこの条件からずれるに従い、上記2種類のモード間の結合は徐々に弱まっていき、バンドギャップも浅く緩やかになっていく。
pの下限はp=λ0/3である。これよりpが小さくなるとバンドギャップが平坦多層膜構造のそれと同等か、あるいは浅くなり、従来型の平坦膜より優れた性能を得ることができない。
上限はp=λ0であり、これより大きなpでも同様に2種類のモード間の結合が弱まり、
バンドギャップが浅くなるため、従来型の平坦膜より優れた性能を得ることができなくなる。
Incidentally, in claim 1, preferred ranges than in case of a p ≦ lambda 0 is λ 0/3 ≦ p ≦ λ 0. As a result, the effects of a transition wavelength width narrower than that of the flat film structure and a deep band gap characteristic can be obtained. The lower limit of p, λ 0/3 are preferable. When the lower limit is exceeded, the characteristics of the transition wavelength width and the band gap depth are the same as or lower than those of the flat film structure.
In claim 2, a more preferred range is λ 0/3 ≦ p ≦ λ 0. It is a lower limit. In (λ 0/3) below, the characteristics of the transition wavelength width and the bandgap depth is lost greatly superior effects than the characteristic of the flat film structure.
In the present invention, a condition for causing a deep band gap by combining a mode propagating perpendicularly to a film also present in a flat multilayer film and an in-plane propagation mode appearing by forming a two-dimensional periodic structure is 2 Assuming the simplest “vacant lattice model” where the refractive index of the dimensional grating is assumed to be 1, where p is the in-plane lattice constant, λ 0 is the wavelength, and a is the stacking period, p = a = λ 0 It is expressed. In an actual multilayer film structure having a refractive index distribution, the coupling between the two modes is gradually weakened, and the band gap is shallow and gentle as it deviates from this condition.
The lower limit of p is p = λ 0/3. When p becomes smaller than this, the band gap becomes equal to or shallower than that of the flat multilayer structure, and it is impossible to obtain performance superior to that of the conventional flat film.
The upper limit is p = λ 0 , and even when p is larger than this, the coupling between the two modes is similarly weakened.
Since the band gap becomes shallow, it becomes impossible to obtain performance superior to that of the conventional flat film.
所定の膜材料1と膜材料2に対し、同じ総膜層数において従来型の平坦多層膜構造よりも深い光学的バンドギャップ及び狭い透過/抑制の遷移波長幅を有するような多層膜型の帯域除去フィルター、及びエッジフィルターを提供する。積層に伴う膜厚揺らぎなど、製造工程上の制限から総膜数の上限が決まっている場合、平坦な多層膜構造よりも優れた性能の波長フィルターを提供することができる。また逆に総膜数に特に制限がない場合も、同じ仕様値を満足するのに少ない層数でフィルターを構成することができるので、製造時間や歩留まり、多層積層による膜応力の低減などの点で有利である。 For a given film material 1 and film material 2, a multilayer film band having a deeper optical band gap and a narrower transmission / suppression transition wavelength width than the conventional flat multilayer film structure at the same total number of film layers. A removal filter and an edge filter are provided. When the upper limit of the total number of films is determined due to manufacturing process limitations such as film thickness fluctuations due to lamination, it is possible to provide a wavelength filter with performance superior to that of a flat multilayer film structure. On the other hand, even if the total number of films is not particularly limited, the filter can be configured with a small number of layers to satisfy the same specification value. Is advantageous.
図1に本発明の実施の形態を示す。膜材料として、例えば可視から近赤外の波長用にはNb2O5の層101(屈折率約2.3)とSiO2の層102(屈折率約1.5)の組み合わせを用いる。なお高屈折率側の膜としてはNb2O5の代わりにTa2O5やTiO2、HfO2などでもよく、また波長1300nm以上の赤外領域ではSiやGe,ZnSeなどでもよい。また低屈折率側の材料もSiO2に限られるものではない。 FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. As a film material, for example, a combination of an Nb 2 O 5 layer 101 (refractive index of about 2.3) and a SiO 2 layer 102 (refractive index of about 1.5) is used for visible to near-infrared wavelengths. The high refractive index film may be Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 or the like instead of Nb 2 O 5 , or Si, Ge, ZnSe or the like in the infrared region having a wavelength of 1300 nm or more. Further, the material on the low refractive index side is not limited to SiO 2 .
3次元空間xyzにおいて基板103の面をxyとし、z方向に多層膜構造とする。またy方向に伸びた溝の列を基板上に形成し、この上に自己クローニング法で膜を成膜することで波板状の多層膜とする。この場合屈折率の周期はxとzの2つの方向に設けられることになる。光はz軸に平行か、あるいは必要に応じz軸から傾いた方向から入射する。用いる波長λ0に対し、面内方向の周期、すなわち溝の間隔pはp≦λ0<3pを満たすように設定する。この範囲の中での最適値は膜厚、波板の斜面の角度、総層数や膜材料の屈折率などを決めた上で周期構造中の分散関係や膜の透過スペクトルを電磁界シミュレーションで設計することで求める。なお、特許文献4、非特許文献3にも自己クローニング型フォトニック結晶を各種波長フィルターとして使用する方法が記載されているが、膜厚や構造定数が最適化されていないため、必ずしも従来型の平坦多層膜による波長フィルターを超える性能が得られていない。
In the three-dimensional space xyz, the surface of the
本発明は、面内格子間隔と動作波長がp≦λ0<3pを満たした上で、従来型のフィルターの性能(バンドギャップの最大深さ、遷移波長帯の幅)を超える性能を有する構造を提供するものである。 The present invention has a structure having performance exceeding the performance of a conventional filter (maximum band gap depth, transition wavelength band width) while satisfying an in-plane lattice spacing and operating wavelength satisfying p ≦ λ 0 <3p. Is to provide.
以下では実際の実施例を示す。 In the following, an actual embodiment will be shown.
(自己クローニング型周期構造)
自己クローニング型の波板多層膜構造によるエッジフィルターの実施例を示す。図2は屈折率n1=2.28のNb2O5層201と屈折率n2=1.47のSiO2層202からなる自己クローニング型の波板状多層膜である。ここで波板の斜面の、基板面に対する斜度は45°とした。またNb2O5層の膜厚d1及びSiO2層の膜厚d2はn1d1=n2d2を満足する値として、d1=156.8nm、d2=243.2nmとした。積層方向の周期LはL=d1+d2=400nmである。x軸方向の周期pは420nmである。周期構造がxとzの両方向に無限に続いていると仮定した場合の、この構造中での光の分散関係の計算値を図3に示す。この計算は有限差分時間領域法を用いて行った。表示してあるのは電界の振動方向がy軸に平行なモード(ここではTEモードと呼ぶ)のみである。またTEモードの中でも、外部からの垂直入射光と結合可能な、偶対称モード(電界分布が鏡映対称面に関し偶対称)のみを表示してある。
(Self-cloning type periodic structure)
An example of an edge filter having a self-cloning corrugated multilayer structure will be described. FIG. 2 shows a self-cloning corrugated multilayer film composed of an Nb 2 O 5 layer 201 having a refractive index n 1 = 2.28 and an SiO 2 layer 202 having a refractive index n 2 = 1.47. Here, the inclination of the slope of the corrugated plate with respect to the substrate surface was 45 °. Further, the film thickness d 1 of the Nb 2 O 5 layer and the film thickness d 2 of the SiO 2 layer satisfy values of n 1 d 1 = n 2 d 2 , and d 1 = 156.8 nm and d 2 = 243.2 nm. did. The period L in the stacking direction is L = d 1 + d 2 = 400 nm. The period p in the x-axis direction is 420 nm. FIG. 3 shows calculated values of the light dispersion relation in this structure when it is assumed that the periodic structure continues infinitely in both the x and z directions. This calculation was performed using the finite difference time domain method. Only the mode in which the vibration direction of the electric field is parallel to the y-axis (herein referred to as TE mode) is displayed. Also, only the even symmetric mode (the electric field distribution is even symmetric with respect to the mirror symmetry plane) that can be coupled with externally perpendicular incident light is displayed in the TE mode.
また図4には従来型の平坦多層膜中を膜法線に平行に伝搬する光の分散関係を示した。図3と図4で各層の厚みと屈折率は同じ値にしてある。それぞれの図で左側の図の横軸にある「Bloch波数」とは、膜を1周期進むごとに光の感じる位相変化量である。また、それぞれの図の右側の横軸にある「減衰定数」とは、光の振幅が膜を1周期進むごとに受ける減衰量に対応する。縦軸は積層周期Lと波長λ0の比であり、正規化された光周波数に相当する。減衰定数が0である周波数領域が光のパスバンド、すなわち膜の向こう側に光が透過する周波数帯であり、減衰定数が有限の値を持つ周波数領域がストップバンドである。従来型の分散関係では401で示した領域が最大の幅及び深さを与えるバンドギャップである。本発明の分散関係では、面内伝搬モードのバンド301の出現によって、302に示した各周波数域に複数のバンドギャップが新たに現れるので、それを利用する。特303に示した部分の減衰定数は、光周波数とともに急激に増加する傾向を示している。これは狭いパスバンド−ストップバンド間の遷移領域特性の源となる。このような急峻な減衰特性を持つストップバンドは、xz各方向の周期や屈折率に応じて、高周波側の高次のバンドギャップにおいても生じうる。
FIG. 4 shows the dispersion relation of light propagating in the conventional flat multilayer film in parallel with the film normal. 3 and 4, the thickness and refractive index of each layer are the same. In each figure, the “Bloch wave number” on the horizontal axis of the left figure is the amount of phase change felt by light every time it travels through the film. In addition, the “attenuation constant” on the horizontal axis on the right side of each figure corresponds to the amount of attenuation that the amplitude of light receives each time it travels through the film. The vertical axis represents the ratio between the stacking period L and the wavelength λ 0 and corresponds to the normalized optical frequency. A frequency region where the attenuation constant is 0 is a light passband, that is, a frequency region where light is transmitted beyond the film, and a frequency region where the attenuation constant is a finite value is a stop band. In the conventional dispersion relationship, the region indicated by 401 is a band gap that gives the maximum width and depth. In the dispersion relation of the present invention, a plurality of band gaps newly appear in each frequency band indicated by 302 due to the appearance of the
図5及び図6はそれぞれ、上述の膜構成において、層膜数を40層(積層周期でいうと20周期)とした場合の透過率を示したもので、図5が本発明の自己クローニング型波板膜構造、図6が従来型の平坦膜構造である。横軸は光周波数を、縦軸は光の電力透過率をデシベル(dB)を単位として表示したものである。なお図5の本発明の構造において、光の偏波面はy方向、すなわち電界の振動方向はy軸方向とした。バンドギャップの現れる周波数が両構造で異なるが、比較のためにそれぞれの図面で横軸の周波数幅は共に120THzに統一してある501で示す低周波数側の遷移特性が、本発明の構造では極めて急峻である。またバンドギャップの最大深さ502も、本発明の方が深いことがわかる。
本実施例において、バンドギャップの生じる周波数帯はおおよそ345THzから400THzの範囲であり、これを波長で表すとおおよそ750nm≦λ0≦870nmである。すなわち1.7p≦λ0≦2.1pである。
FIG. 5 and FIG. 6 each show the transmittance when the number of layer films is 40 layers (20 periods in terms of lamination period) in the above-described film configuration. FIG. 5 shows the self-cloning type of the present invention. A corrugated film structure, FIG. 6 shows a conventional flat film structure. The horizontal axis represents the optical frequency, and the vertical axis represents the light power transmittance in units of decibels (dB). In the structure of the present invention shown in FIG. 5, the plane of polarization of light is in the y direction, that is, the vibration direction of the electric field is in the y-axis direction. Although the frequency at which the band gap appears is different between the two structures, the transition characteristics on the low frequency side indicated by the
In the present embodiment, the frequency band in which the band gap is generated is in the range of about 345 THz to 400 THz, and when expressed in wavelength, it is about 750 nm ≦ λ 0 ≦ 870 nm. That is, 1.7p ≦ λ 0 ≦ 2.1p.
なお本発明は膜に垂直に伝搬するモードと面内伝搬モードの結合により生じる302の様なバンドギャップを利用することが本質的であるので、そのようなモードの結合及び減衰特性が生じるようにλ0に応じてpやd1、d2などを決めることが肝要である。すなわち自己クローニング型多層膜構造によって本発明を実現するために必要な各構造定数および膜材料の材料定数はこの実施例で示した値に限定されるものではない。また本実施例ではTE波に対する構成例を述べたが、TM波(TE波とは逆に、磁界の振動方向がy軸に平行である偏波)に対して動作するような構成にも当然、同様の面内伝搬モードに起因するバンドギャップが生じるので、これを利用する構成も本発明の範囲に含まれる。またここでは溝の列上に多層膜を形成した2次元屈折率周期構造についての例を示したが、周期的な孔や突起の配置された基板上に多層膜を形成することで得られる3次元型の自己クローニング型多層膜構造であってもよい。3次元構造も面内に屈折率の周期変調があることに変わりはなく、面内伝搬モードが発生するため、孔または突起の間隔p,qをλ0に応じて適切に設定することで、上述と同様の鋭い減衰曲線を得ることが可能である。 In the present invention, it is essential to use a band gap such as 302 generated by the combination of the mode propagating perpendicular to the film and the in-plane propagation mode, so that such mode coupling and attenuation characteristics are generated. It is important to determine p, d 1 , d 2 and the like according to λ 0 . That is, the structural constants and material constants of the membrane material necessary for realizing the present invention by the self-cloning multilayer film structure are not limited to the values shown in this example. In the present embodiment, the configuration example for the TE wave has been described. However, it should be understood that the configuration may operate with respect to the TM wave (opposite to the TE wave, the polarization direction in which the vibration direction of the magnetic field is parallel to the y-axis). Since a band gap due to the same in-plane propagation mode is generated, a configuration using this band gap is also included in the scope of the present invention. Although an example of a two-dimensional refractive index periodic structure in which a multilayer film is formed on a row of grooves is shown here, it is obtained by forming a multilayer film on a substrate on which periodic holes and protrusions are arranged. A dimensional self-cloning multilayer structure may be used. Since the three-dimensional structure also has a periodic modulation of the refractive index in the plane and an in-plane propagation mode is generated, by appropriately setting the distances p and q between the holes or protrusions according to λ 0 , It is possible to obtain a sharp attenuation curve similar to that described above.
(周期溝加工付き多層膜構造)
図7には平坦多層膜に、膜を貫く形で周期的な溝の列を形成した構造による実施例を示す。この様な構造は例えば、平坦多層膜を積層後、表面に金属等でマスク膜を形成し、リソグラフィでマスクに溝の列を形成し、その後反応性イオンエッチング等で多層膜をエッチングすることで製造できる。膜材料とその屈折率は実施例1と同じとした。すなわち膜材料1の層701は屈折率n1=2.28のNb2O5層とし、膜材料2の層702は屈折率n2=1.47のSiO2層とした。また溝703の部分は空気であり屈折率は1.0である。またNb2O5層の膜厚d1及びSiO2層の膜厚d2はn1d1=n2d2を満足する別の組み合わせとして、d1=196nm、d2=304nmとした。積層方向の周期LはL=d1+d2=500nmである。溝の配置間隔、すなわちx方向の屈折率変調の周期pは500nmとし、溝の幅wは156.25nmとした。実施例1と同じく総層数を40層とした場合の透過スペクトルを図8に示す。801で示すのが本発明の構造の、TE波(電界の振動方向がy軸に平行な直線偏波)の透過スペクトルである。802は溝加工をしていない、元の平坦多層膜の透過スペクトルである。この図で波長580nmから620nmに存在するバンドギャップを用いる。この場合のバンドギャップの幅は平坦多層膜によるものよりも狭いが、最大深さはそれより約20dB深く、また波長620nm付近の長波長側のカットオフ特性も大幅に急峻化されている。この実施例における動作波長λ0と溝周期pの関係は、1.16p≦λ0≦1.24pである。
(Multilayer film structure with periodic grooves)
FIG. 7 shows an embodiment having a structure in which a row of periodic grooves is formed in a flat multilayer film so as to penetrate the film. For example, such a structure is obtained by laminating a flat multilayer film, forming a mask film with a metal or the like on the surface, forming a row of grooves in the mask by lithography, and then etching the multilayer film by reactive ion etching or the like. Can be manufactured. The film material and its refractive index were the same as in Example 1. That is, the
図9は同じ膜厚及び同じ溝間隔pで、溝の幅を250nmにしたものである。この場合急峻かつ深い当該バンドギャップは波長535nmから600nmに存在し、動作波長λ0と溝周期pの関係は、1.07p≦λ0≦1.2pとなる。なおここでは各層の膜厚がn1d1=n2d2を満たす場合についての実施例を示したが、当然本発明の本質はこの膜厚関係に限定されるものではない。また溝の幅についても同様である。溝を満たす媒質の屈折率も一般には1.0以外でもよい。本実施例で示した以外の構造においても、動作波長域や各層の膜厚に応じて、面内伝搬モード型のバンドギャップが生じるように適宜溝間隔や溝の幅を設定することが本質的なのであって、本発明はここで述べた構造定数や材料定数を持つものに限られるものではない。また本実施例ではTE波に対する構成例を述べたが、TM波(磁界の振動方向がy軸に平行)に対して動作するような構成も当然、同様の面内伝搬モードに起因するバンドギャップを利用するのであるから、本発明の範囲に含まれる。 In FIG. 9, the groove thickness is 250 nm with the same film thickness and the same groove interval p. In this case, the steep and deep band gap exists from the wavelength 535 nm to 600 nm, and the relationship between the operating wavelength λ 0 and the groove period p is 1.07p ≦ λ 0 ≦ 1.2p. Note here The film thickness of each layer shows an embodiment for the case that satisfies n 1 d 1 = n 2 d 2 is of course the essence of the present invention is not limited to this thickness relationship. The same applies to the width of the groove. In general, the refractive index of the medium filling the groove may be other than 1.0. Even in the structure other than that shown in this embodiment, it is essential to appropriately set the groove interval and the groove width so that an in-plane propagation mode type band gap is generated according to the operating wavelength range and the film thickness of each layer. Therefore, the present invention is not limited to those having the structural constants and material constants described herein. In the present embodiment, the configuration example for the TE wave has been described. However, a configuration that operates with respect to the TM wave (the vibration direction of the magnetic field is parallel to the y-axis) is naturally a band gap caused by the same in-plane propagation mode. Is included in the scope of the present invention.
本発明による波長フィルターは、光画像計測、光ファイバー通信、レーザー分光などなどの分野において、特定の波長域の光を選択的に高効率で除去する目的で広く利用することができる。特にエッジフィルターとして用いた場合、短波長端もしくは長波長端で従来の平坦多層膜を大幅に超える急峻な遮断特性を示すので、高純度な光スペクトルの分離が可能である。本発明の波長フィルターは現在平坦多層膜型の波長フィルターが用いられているすべての産業分野において、広範囲に利用することができる。 The wavelength filter according to the present invention can be widely used in the fields of optical image measurement, optical fiber communication, laser spectroscopy, and the like for selectively removing light in a specific wavelength range with high efficiency. In particular, when used as an edge filter, it exhibits a steep cutoff characteristic that greatly exceeds the conventional flat multilayer film at the short wavelength end or the long wavelength end, so that a high-purity optical spectrum can be separated. The wavelength filter of the present invention can be widely used in all industrial fields where a flat multilayer film type wavelength filter is currently used.
101 Nb2O5の層
102 SiO2の層
103 基板
201 Nb2O5の層
202 SiO2の層
301 面内伝搬モードの分散関係
302 面内伝搬モードによって生じたバンドギャップ
303 急峻な減衰特性を持つバンドギャップ中の分散曲線
401 平坦膜構造における深さ最大のバンドギャップ
501 本発明の構造が有する、バンドギャップにおける急峻な遮断特性
502 バンドギャップにおける最大減衰量
701 膜材料1の層
702 膜材料2の層
703 周期的に配置された溝
801 本実施例による透過スペクトル
802 従来型の平坦多層膜の持つ透過スペクトル
101 Nb 2 O 5 layer 102 SiO 2 layer 103
Claims (4)
x方向には屈折率が周期pをもって周期的に変動しており、y方向には周期がq(q≧p)をもって周期的に変動している構造体からなり、z軸に平行に入射する光の真空中での波長をλ0とするときp≦λ0、q>(λ0/3)を満たすようにしたことを特徴とする波長フィルター。 In the three-dimensional space xyz, an alternating multilayer film structure made of materials having different refractive indexes is formed in the z direction,
In the x direction, the refractive index periodically changes with a period p, and in the y direction, the refractive index periodically changes with q (q ≧ p), and is incident parallel to the z axis. wavelength filter being characterized in that the p ≦ λ 0, q> ( λ 0/3) to meet the time of the wavelength in vacuum of optical and lambda 0.
x方向には屈折率が周期pをもって周期的に変動しており、y方向には屈折率分布が一様である構造体からなり、z軸に平行に入射する光の真空中での波長をλ0とするとき(λ0/3)<p≦λ0を満たすようにしたことを特徴とする波長フィルター。 In the three-dimensional space xyz, an alternating multilayer film structure made of materials having different refractive indexes is formed in the z direction,
In the x direction, the refractive index fluctuates periodically with a period p, and in the y direction, the refractive index distribution is uniform, and the wavelength of light incident in parallel to the z axis in vacuum is determined. when the λ 0 (λ 0/3) < wavelength filter being characterized in that so as to satisfy p ≦ λ 0.
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CN106597605A (en) * | 2017-01-19 | 2017-04-26 | 河南师范大学 | Anomalous dispersion type single-cavity dual-channel photonic crystal filter |
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JP2004325902A (en) * | 2003-04-25 | 2004-11-18 | Photonic Lattice Inc | Grid modulation type photonic crystal wavelength selection filter, array type wavelength multiplexer/demultiplexer using the filter, and their manufacturing method |
JP2007010927A (en) * | 2005-06-29 | 2007-01-18 | Sanyo Electric Co Ltd | Photonic crystal element |
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2007
- 2007-03-26 JP JP2007079626A patent/JP2008241912A/en active Pending
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