JP3133765B2 - 多層薄膜バンドパスフィルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は絶縁体バンドパスフィルタに関し、特に通過
帯域における透過リプルを低減する多層多共振器構造に
関する。

発明の背景 光の干渉は、光の伝送および反射の強度を変え、２ま
たは３以上の光のビームの重畳を生じる。重畳の原理
は、生じた振幅が個々のビームの振幅の合計であるとい
うことを言明している。光り輝く色は、例えば光が石鹸
の泡や水の上に浮いている油の薄膜により反射される時
に見られ、２つの光波列間での干渉効果により生じる。
光波は石鹸溶液または油の薄膜の反応の面で反射され
る。

更に重要のことには、薄膜における干渉効果の実際の
適用には、被覆した光学的な表面を製造することが含ま
れる。透明な物質でできた膜がガラスのような透明基板
上に、例えばガラスの屈折率に対して適当な特定の屈折
率を有し、かつその膜における光の特定の波長の４分の
１となる厚さを有するように堆積される場合、その波長
の光のガラス表面からの反射は殆ど完全に抑えられ得
る。そうでなければ反射光は非反射膜によって吸収され
ず、むしろ入射光のエネルギーが再分配され、そのため
伝送される光の強度が増大するのに伴って反射が減少す
る。

２または３以上の重畳された層を有する合成の膜を用
いて、そのような膜の反射防止性能の改善が相当なされ
てきた。そのような膜を形成するのに、比較的屈折率が
高い材料と比較的屈折率が低い材料の２つの異なる材料
が用いられてもよい。その２つの材料は、その膜に適し
た所望の光特性を得るために所定の厚さに達するまで交
互に堆積させる。理論的にはこの手法で、極めて多様な
伝送および反射のスペクトルに適した多層干渉被覆を設
計することができる。これによって、複雑なスペクトル
のフィルタ構造を利用した多くの新しい光デバイスが開
発されてきた。反射防止被覆、レーザ誘電ミラー、テレ
ビカメラのエッジフィルタ、光帯域通過フィルタ、およ
び帯域消去フィルタが薄膜の干渉被覆を用いた有用なデ
バイスの幾つかの例である。

ある特定のタイプの干渉被覆は帯域通過フィルタであ
り、所望の通過帯域の所定の範囲内の波長が伝送される
のに対して、その通過帯域の両側の波長範囲は著しく反
射されることを可能とするように設計されている。理想
的には帯域通過フィルタは、リプルの殆どない均一な通
過帯域を得ながらも、方形状の応答特性をなすべきであ
り、従って帯域消去領域から帯域通過領域への移行はで
きるだけ迅速でなければならず、あるいは別の言い方を
すればその傾斜すなわち移行領域は急峻であるべきであ
る。

多共振器フィルタは40年以上も前から製造されてい
る。フィルタ設計者の通常のアプローチは基板および出
口の媒質に対して等長共振器構造を単純に反射防止とす
ることである。しかしながら、これは通過帯域に過剰な
リブルを有するフィルタを生じる。この問題を取り除く
ための試みにおいて、共振器の長さを変更する必要性が
薄膜分野の専門家らによって徹底的に研究されてきた。
P.W.Baumeisterは1982年８月15日に発行されたApplied
Optics Vol.21,No.16の「Use of microwave prototype
filters to design multilayer dielectric bandpass f
ilters」という論文の中で、マイクロ波フィルタの合成
を適用した反射ゾーンを適合させるために定在波比技術
を用いることについて述べている。C.Jacobsは1981年３
月15日に発行されたApplied Optics Vol.20,No.6の「Di
electric square bandpass design」という論文の中
で、等価屈折率法を用いることについて述べている。A.
Thelenは1989年にMcGraw−Hill Book Companyから出版
された「光干渉被覆の設計」という本の中で、リプルを
低減するための等価層および多の方法について述べてい
る。しかしながら、これらの方法から開発された連続層
体は一般的であるとは考えられず、また異なる屈折率比
の多層体に対して同様に適用できない。

別の従来技術のフィルタが、1984年３月27日に出願人
VEB Carl Zeissにより出願された英国特許出願番号第2
137 769 A号に開示されている。この出願は通常帯域を
有する干渉膜について開示し、多層膜を構成しており、
以後出願人により開示された出願よりも製造するのがや
やより困難である。

一般に透過性が高いと、透過から透過阻止へ移行する
際の傾斜特性が悪くなって（すなわち変化が緩慢になっ
て）この透過の帯域幅が狭くなる。透過の改善は傾斜の
変化よりも重要であるので、その傾斜を改善するために
フィルタに付加的な共振器が付加されてもよい。

従来技術の制約を考慮して、本発明の目的は、これら
の多くの制約を克服する帯域通過フィルタを提供するこ
とにある。

さらには、本発明の目的は、通常他の帯域通過フィル
タと結合されて通過帯域における透過リプルを低減する
多層形態で多共振器構造の帯域通過フィルタを提供する
ことである。

さらには、本発明の目的は、通過帯域における透過リ
プルを低減する多層形態で多共振器構造の帯域通過フィ
ルタを提供するとともに、通常リブを低減するように設
計された他の帯域通過フィルタと結合したフィルタより
も優れた傾斜特性を提供することである。

発明の開示 本発明は、屈折率の異なる２（または３以上）の透明
な絶縁膜の交互層からなる多層膜で構成されている。本
発明は、通常帯域において低反射特性を形成するため
に、フィルタ構造から基板および出力界面（必要な場
合）への反射防止を利用し、またコア構造の両側に内側
のコア構造よりも少ない４層を備えた出力共振器を利用
している。最も方形状の特性をなすフィルタは、選択さ
れた共振器の種々の層に付加された追加の２分の１波長
層を有している。これらの設計の何れに対しても帯域通
過フィルタは等長共振器構造に比べて透過帯域幅を狭く
する。

説明したようにこのフィルタは、（リプルの低減され
たフィルタに体する）背景情報において上記引用された
フィルタよりも高透過領域においてより優れた傾斜を有
している。上述した構造は極めて急峻な傾斜を有する高
透過特性のフィルタを設計するための極めて一般的なア
プローチである。

都合よく、本発明に従って説明されたフィルタは先述
した従来技術のフィルタよりも極めてより優れた傾斜を
有している。実際に関心のあるスペクトル領域で透明な
何らかの適切な材料を用いることにより所望の結果が得
られる。

本発明によれば、２つの外側共振器［10a］と少なく
とも１つの内側コア共振器［10b］を有し、前記各共振
器［10a,10b］は各層の厚さが４分の１波長で高屈折率
材と低屈折率材の層が交互に並べてなる複数の多層反射
積層体を備え、前記各共振器［10a,10b］の前記多層反
射積層体は絶縁材からなる厚さが２分の１波長の層によ
って分離されており、前記各共振器［10a,10b］は低屈
折率材からなる厚さが４分の１波長の層によって隣の共
振器［10a,10b］から分離されてなる帯域通過フィルタ
であって、前記内側コア共振器［10b］における層数は
７または７より大きい奇数であり、、前記外側共振器
［10a］における厚さが４分の１波長の前記反射積層体
の層数は対応する前記内側コア共振器［10b］における
厚さが４分の１波長の前記反射積層体の層数よりも２つ
少ないことを特徴とする帯域通過フィルタが提供され
る。

本発明によれば、２つの外側共振器および１または２
以上の別の内側コア共振器を含む一続きの共振器を備
え、各共振器は高屈折率材の層と低屈折率材の層が交互
に並ぶ複数の４分の１波長反射積層体を備え、前記複数
の積層体は絶縁材からなる２分の１波長厚の層によって
分離されており、各共振器は低屈折率材からなる４分の
１波長厚の層によって分離されており、１または２以上
の別の共振器における層数は７または７より大きい奇数
であり、また前記一続きの共振器の最初と最後の共振器
はそれぞれ各４分の１波長反射積層体において前記一続
きにおける１または２以上の別の共振器の別の４分の１
波長反射積層体の層数よりも２層少ない層を有する帯域
通過フィルタが提供される。加えて通過帯域の傾斜を変
えるために２分の１波長厚の層は外側共振器内の選択さ
れた４分の１波長厚の層に付加される。また変更された
外側共振器によって引き起こされるリプルを取り除くた
めに２分の１波長厚の層は内側共振器内に設けられて４
分の１波長厚の層に付加される。

加えて通過帯域の傾斜を変えるために２分の１波長厚
の層は外側共振器内の選択された４分の１波長厚の層に
付加される。また変更された外側共振器によって引き起
こされるリプルを取り除くために２分の１波長厚の層は
内側共振器内に設けられて選択された４分の１波長厚の
層に付加される。

本発明によれば、２つの外側共振器および１または２
以上の別共振器を含む一続きの共振器を備え、各共振器
は高屈折率材の層と低屈折率材の層が交互に並ぶ複数の
４分の１波長反射積層体を備え、１または２以上の別の
積層体は絶縁材からなる複数の２分の１波長厚の層によ
って分離されており、またフィルタの通過帯域の帯域幅
を広げるとともに残りの反射を低減するために前記外側
共振器の複数の積層体は絶縁材からなる複数の２分の１
波長厚の層によって分離されており、各共振器は低屈折
率材からなる４分の１波長厚の層によって分離されてお
り、１または２以上の別の共振器における層数は７また
は７より大きい奇数であり、また前記一続きの共振器の
最初と最後の共振器はそれぞれ各４分の１波長反射積層
体において前記一続きにおける１または２以上の別の共
振器の別の４分の１波長反射積層体の層数よりも２層少
ない層を有する帯域通過フィルタがさらに提供される。
加えて通過帯域の傾斜を変えるために２分の１波長厚の
層は外側共振器内の選択された４分の１波長厚の層に付
加される。また変更された外側共振器によって引き起こ
されるリプルを取り除くために２分の１波長厚の層は内
側共振器内に設けられて選択された４分の１波長厚の層
に付加される。

図面の簡単な説明 以下に本発明の具体例を図面とともに説明する。

図1aは従来技術の帯域通過フィルタ全体の断面図であ
り、 図1bは本発明による帯域通過フィルタ全体の断面図であ
り、 図２は従来技術による固体エタロンフィルタの断面図で
あり、 図３は従来技術の４分の１波長積層体（QWS）の断面図
であり、 図4aは従来技術の絶縁体フィルタ共振器の断面図であ
り、 図4bは本発明による絶縁体フィルタ共振器の断面図であ
り、 図5aは従来技術の多共振器フィルタの断面図であり、 図5bは本発明による多共振器フィルタの断面図であり、 図６は各共振器が低屈折率の４分の１波長層により分離
された13層を有する従来の５共振器フィルタの透過率対
波長のグラフであり、 図7aは９層の共振器、３つの13層でできた共振器および
第２の９層の共振器を有する本発明による構造に対する
透過率対波長のグラフであり、 図7bは11層の共振器、２つの15層でできた共振器および
第２の11層の共振器を有する、79の４分の１波長層を伴
う55層からなる本発明による４共振器構造（太線）に対
する透過率対波長のグラフである。そのグラフの細線は
２分の１波長層が付加されていない同じ共振器構造に対
する透過率対波長のグラフであり、 図８は本発明に従って設計されてなる79の４分の１波長
層を伴う55層の４共振器フィルタを表すグラフ（太線）
である。基板はシリコンであり表面と媒質は空気であ
る。細線は比較のためにガラスに埋め込まれた図７の構
成のフィルタを示しており、 図9aは従来技術の97層からなる７共振器（細線）のフィ
ルタと、本発明に従って91層に変更されてなり、変更さ
れた構造のタイプにおいてフィルタと媒質の間に低屈折
率層が付加された共振器（太線）フィルタの透過率対波
長を示すグラフであり、 図9bは本発明に従って設計された90の４分の１波長層を
伴う73層からなる４共振器フィルタを表すグラフであ
り、 図10aは62層の５共振器フィルタに対する透過率対波長
を示すグラフであり、 図10bは本発明に従って設計されてなる107の４分の１波
長層を伴う89層の４共振器フィルタを表すグラフであ
り、 図11aは（変更された）８共振器を備えた105層の帯域通
過フィルタに対する透過率対波長のグラフであり、 図11bは材料として五酸化タンタルおよび二酸化シリコ
ンを用いた５共振器構造を備えた51層の帯域通過フィル
タに対する透過率対波長のグラフであり、 図12は８共振器フィルタに対する透過率対波長のグラフ
である。

フィルタ構造についての一般的な知識 波長分割多重および他の通信産業の用途のためのフィ
ルタは低損失でかつ殆どリプルのない極めて直線的な傾
斜を必要とする。典型的な帯域幅は1250nmから1650nmま
での波長範囲に対して0.5nmから100nmまでの範囲であ
る。本発明によりもたらされる技術的な改善から得られ
る利益によって、フィルタの用途がさらに広がる。

最も単純なフィルタは、図２の従来技術に示すよう
に、透明な絶縁材からなる２分の１波長層により分離さ
れた２つの部分反射鏡またはハーフミラーでできている
（エタロンと同様である）。

ここで、図３に替わって、全ての絶縁体フィルタに対
して、図示された部分的な反射鏡は高屈折率材と低屈折
率材からなる交互層でできている。各層の厚さは所望の
フィルタの波長で４分の１波長（QW）になるように調整
されている。各部の反射鏡（単一層のみでできていても
よい）は４分の１波長積層体と呼ばれる。フィルタの帯
域幅はこの構造における４分の１波長積層体の反射率の
関数である。

ここで、図4aを参照すると、全ての絶縁体干渉フィル
タにとって最も普遍的で基本的なビルディングブロック
の一つであるフィルタ共振器が示されている。その共振
器は、図4aに示すように、２分の１波長（または複数の
２分の１波長）層により分離された４分の１波長積層体
でできた２つの理想的な反射鏡で構成されている。共振
器は他の共振器の上に堆積され、傾斜を急峻にするため
に、間に低屈折率材からなる４分の１波長層を有してい
る。これによって図5aに示す多層共振器フィルタが作製
される。

実施の観点から、堆積される層の全数は実施可能な共
振器数に調整される。0.3nmおよびそれよりも大きな帯
域幅であれば多共振器を設計することができる。10nmの
帯域幅までのフィルタは３または４の共振器で容易に製
造され得る。帯域幅が6nmよりも大きいと、不要な波長
の光が透過するのを遮るための傾斜を達成するために、
さらにより多くの共振器が必要になるかもしれない。こ
れらのフィルタは多数の層を有している。表面積の収率
は小さく、より狭い帯域に対しては直径25mmが典型的で
あるかもしれない。等長共振器は最も広い通過ゾーンと
ともに際もよいロールオフを生じるが、しかし同等の共
振器フィルタに対するグラフを検討すると、図６に示す
ように通過帯域におけるリプルを許容レベルまで低減す
るためには改善が必要であるということが明らかとな
る。

発明の詳細な説明 図1bに示すように、本発明のフィルタの全体は、透明
な基板６、必要であればその基板上に光マッチング層
（図示せず）、Ｎ層を有する外側のフィルタ共振器10
a、ここでＮ＞３でかつそれらの層の幾つかの厚さは４
分の３波長であってもよく、低屈折率層12、それぞれが
（Ｎ＋４）層を有する一連のフィルタコア共振器10b、
隣接する共振器10a,10bの間で層12は低屈折率を有して
おり、Ｎ層を有しかつそれらの層の幾つかの厚さが４分
の３波長であってもよい別の外側のフィルタ共振器10
a、および必要ならば別のマッチング層（図示せず）を
含んでいる。２分の１波長層は傾斜を改善するために４
分の１波長積層体の中に所々入れられる。これらの付加
された２分の１波長層の数と位置は個々の適用でもって
変わる。対称的に、図1aの従来技術は、５共振器を有す
る一般的なフィルタを示しており、各共振器は最も外側
の共振器を含めてＭ層を有している。

再び本発明の図1bを参照して、通常、光マッチング層
は４分の１波長の厚さを有する低屈折率材よりなる。し
かしながら、マッチング層の材料、厚さおよび屈折率は
低屈折率材12のそれとは異なっていてもよい。共振器10
a,10bは４分の１波長の厚さの高屈折率材および低屈折
率材が交互に積層されてできている。共振器10aの第１
の材料は高屈折率であり、その後に低屈折率材が続く。
最も単純な場合は低屈折率材は複数の２分の１波長の厚
さであり、その後に高屈折率材が続き、すなわちHLLHと
なる。ここでＨとＬの各層は４分の１波長厚の高屈折率
材または低屈折率材を表している。従って、HLLHは、低
屈折率材よりなる２分の１波長層LLがそれぞれ高屈折率
材よりなる４分の１波長厚の２つの層Ｈ Ｈの間に設け
られた３層構造であると考えられる。傾斜を改善するた
めに、Ｈ層はHHH層に変更され、LL層はLLLL層に変更さ
れる。つぎに、低屈折率層12が各共振器10aおよび／ま
たはその後の共振器10bの間に設けられる。つぎのコア
共振器10bは最も単純な場合にはHLH LL HLHの層構造
でできている。従って、コア共振器10bは、２分の１波
長層LLが２つの４分の１波長積層体HLHの間に設けられ
た７層構造であると考えられる。付加された２分の１波
長層によってもたらされるリプルを低減するために、コ
ア共振器内の幾つかの層もまたそれらの層に付加される
２分の１波長層を有している。コア共振器10bは、急峻
な傾斜を有するフィルタを作製するために何回も繰り返
されてもよい。それから第１の共振器10aが繰り返さ
れ、そして必要であれば最後につぎの媒質に対する別の
マッチング層が付加される。

基板６は重要な波長に亘って透明であり、ガラス、石
英、透明なプラスチック、シリコンおよびゲルマニウム
を含み、これらに限定はされないが、多種多様の材料で
できていてもよい。この適用のために使用される絶縁材
料は1.3から4.0よりも大きい範囲の屈折率を有してい
る。好ましい材料はフッ化マグネシウム（1.38）、フッ
化トリウム（1.47）、氷晶石（Cryolith）（1.35）、二
酸化シリコン（1.46）、酸化アルミニウム（1.63）、酸
化ハフニウム（1.85）、五酸化タンタル（2.05）、酸化
ニオブ（2.19）、硫化亜鉛（2.27）、酸化チタン（2.3
7）、シリコン（3.5）、ゲルマニウム（4.0）およびテ
ルル化鉛（5.0）である。他の絶縁材料も同様に役に立
つ。

各共振器内の層数を決めた後、本発明の教えに従っ
て、フィルタの設計が最適化ルーチンを備えた商業的に
利用可能なコンピュータプログラム（例えばSoftware
Spectra株式会社製のTFCalc^TM）の支援によって容易に
達成される。設計の要点をそのプログラムに入力する
と、スペクトルの応答が計算される。要求された名目上
の帯域幅に一致するように適切なサイズの共振器を備え
た設計が選択される場合、マッチング層に対してフィル
タの透過を最適化することがなされる。設計者は、４分
の１波長に相当する状態で使用すべき材料の範囲から選
択するか、または同じ低屈折率材料をマッチングをなす
ように厚さを調整して使用することを選んでもよい。

図1bのフィルタは共振器のアレイを含んでおり、それ
ぞれ低屈折率材よりなる４分の１波長層により分離され
ている。コア共振器10bにおける層数は５よりも大きい
奇数である。コア共振器10bが７層以上であれば完全に
リプルの低減が改善されると断言できる。本発明に従え
ば、最初および最後の共振器10aは各４分の１波長積層
体において２層少なく、全体では各共振器で４層少な
い。これらの外側の共振器10aにおける２分の１波長の
数はコア積層体10bにおける数と同じかそれよりも多く
なるはずである。理論的なプロットによりそれぞれの位
置に適した２分の１波長層の最適な層数が決まる。傾斜
を改善するために外側の積層体の４分の１波長層に付加
的な２分の１波長層が付け加えられて４分の３波長層と
なる。しかしながら、これによってリプルが生じる。そ
れにもかかわらず傾斜が満足いく時には、内側の積層体
の４分の１波長層に２分の１波長層を付加することによ
ってリプルが低減されるかもしれず、それゆえ４分の３
波長層を生じる。

フィルタの一般的な性質が満足いく場合には、付加さ
れる多様な波長の層の位置は角度に対する感度に対して
試験されるであろう。僅かにその位置を変えることによ
って、いろいろな入射角に対してフィルタ特性の改善が
もたらされ得るものである。

図7aは３つの13層のコア積層体および９層の外側積層
体を有する帯域通過フィルタの透過特性を示す。９層の
外側積層体は１または２の２分の１波長層を有してい
る。２つの２分の１波長すなわち１波長積層体に対する
透過特性は太線で示されており、２分の１波長積層体に
対する透過特性は細線で示されている。基板および媒質
はガラスであり、何れも屈折率は1.51である。

図7b（太線）は２つの15層のコア積層体および11層の
外側積層体を有する帯域通過フィルタの透過特性を示し
ている。11層の外側積層体はHLH 3L 3H 4L Ｈ 3L
HLHの形態をなしている。ここでＨは４分の１波長の
光路長に相当する厚さの高屈折率材でできた層を表して
おり、3Hは高屈折率材でできた付加的な２分の１波長層
を示しており、Ｌは４分の１波長の光路長に相当する厚
さの低屈折率材でできた層を示しており、その他も同様
である。内側積層体は一方の共振器にのみ（LL）が付加
されてなるHLHLHLH LL HL（LL）HLHLHでできている。
この（LL）は同様の効果を奏するために同じ位置で２分
の１波長奏の前に設けられ得る。高屈折率材は2.24の屈
折率を有し、一方低屈折率材は1.45の屈折率を有する。
細線は２分の１波長層のみを伴った層数が11−15−15−
11の基本的なフィルタのスペクトル特性を示している。
基板および媒質はガラスであり、何れも屈折率は1.51で
ある。透過ゾーンにおいて小さいリプルを有する傾斜が
明らかに改善されている。電力半減点での帯域幅は実質
的に変化していないが、しかし更に除去された点での帯
域外の遮断は実質的によりよくなっている。

基板および表面（すなわち出口）の媒質の屈折率はリ
プルに影響する。リプルを最小に低減するために、フィ
ルタ構造を表面媒質に一致させる必要があるかもしれな
い。例えば、表面媒質の屈折率ｎが1.44と1.8の間にあ
る場合、低屈折率材でできた４分の１波長層は（おおよ
そ1.48かまたはそれよりも小さい屈折率の低屈折率材に
対して）適切なマッチングをなすかもしれない。1.8よ
りも大きいかまたは1.44よりも小さい屈折率に対して
は、表面媒質とフィルタとの間で層の変更が必要とな
る。この特定の問題は周知であり、当該分野の専門家ら
によって述べられてきた。図８はフィルタを出射媒質と
マッチングさせることの効果を実証している。図7bと同
じ４共振器フィルタが層１を除去することによってシリ
コン基板にマッチングさせられている。またその４共振
器フィルタは、ZnSでできた屈折率0.7185の４分の１波
長層よりなる層54およびThF4でできた屈折率0.643の４
分の１波長層よりなる付加層55を含む反射防止マッチン
グ層でもって出射媒質である空気にマッチングさせられ
ている。通過帯域のリプルは図7bにおけるリプルと実質
的に同じである。如何なる基板および出射媒質に対して
も、その媒質の隣の構造変化はフィルタの特性を高める
ため基板および出力媒質の屈折率は障害にならない。

実施例 硫化亜鉛（屈折率2.24）およびフッ化トリウム（屈折
率1.45）よりなる多層を用いて、終端の共振器（終端に
付加された超低屈折率層を有している）が８リプルを低
減する場合とそうでない場合とで７共振器フィルタが計
算された。図9aに示すようにリプルの低減は相当のもの
である。

５共振器フィルタが種々の基板を用いて計算された。
図7aは屈折率1.51を有するガラス内に埋没された状態で
の特性を示している。５共振器フィルタに対して媒質が
1.45と1.8との間の屈折率を有している場合には、1518n
mから1542nmまでの範囲での透過はフィルタ手段の最初
と最後に低屈折率層が付加された状態で98％を超える。

基板の屈折率を4.0（ゲルマニウム）に変え、かつ表
面媒質を空気（屈折率1.0）に変えた同一の５共振器構
造に対して、フィルタの最初の２層および最後の２層の
厚さを最適化するために計算機のプログラムが使用され
た。図10aは反射防止後にフィルタ特性が図7aに示す結
果から殆ど変わっていないことを実証している。

高屈折率（ｎ＝3.5）のシリコンおよび低屈折率（ｎ
＝1.85）の一酸化シリコンで構成された105層からなる
８共振器フィルタの出力応答が図11aに示されている。
通過帯域に多少のリプルがあるが、その透過特性は従来
の共振器フィルタよりも非常に優れている。１波長層が
リプルを取り除くのに使用される。

酸化ハフニウム（ｎ＝1.9）および石英（ｎ＝1.46）
を終端でフッ化マグネシウムとともに用いた８共振器フ
ィルタの出力応答が図12に示されており、ここでは材料
は酸化ハフニウム（ｎ＝1.85）および石英（ｎ＝1.44）
であり、このフィルタは該フィルタと媒質との間に付加
されたフッ化マグネシウム（ｎ＝1.38）よりなる層を備
えている。これらおよびつぎのHfO2からなる内側層は媒
質にマッチさせるためにその厚さが調整されている。最
初および最後の層はフッ化マグネシウムである。それら
の層はつぎの内側層とともにその媒質にマッチさせられ
ている。

図11aとの比較は、基本的な帯域形状（出力応答）は
屈折率比および各屈折率の絶対値の両方に依存していな
いことを実証している。比較として低屈折率を一定にし
て高屈折率を変えると通過帯域内のピークでの反射値に
わずかな変化を示す。

硫化亜鉛（屈折率2.24）およびフッ化トリウム（屈折
率1.45）よりなる多層を用い、付加される２分の１波長
層の量および位置を異ならせて種々の４共振器フィルタ
が計算された。

本発明によるフィルタは、外側の共振器を除いて他の
等長共振器（同じ層数）のアレイでできている。外側の
共振器はそれぞれ４より少ない層（２分の１波長層の各
側で２より少ない）を含んでいる。この構成の通過帯域
の形状はたとえあってもリプルの小さい滑らかなグラフ
となる。結果として生じたグラフの傾斜は都合のよいパ
ーセントの透過率位置での帯域幅を分析することによっ
て任意に決められてもよい。比較の目的で我々は帯域幅
比を50％に対する0.01％Ｔと定義する。それは傾斜に関
するＳと呼ばれる。

帯域幅比Ｓは、リプルを改善するために変更されてき
たフィルタ構造に対するよりも全等長共振器を備えたフ
ィルタに対する方が極めて小さい。外側の共振器により
少ない層を有するフィルタにとって、その比は、外側の
共振器の２分の１波長層に２分の１波長層を付加するこ
とによってかなり改善される。0.01％の点（および間の
全ての他の点）での帯域幅の更なる改善は、特に外側の
共振器の４分の１波長積層体を構成する層に２分の１波
長厚の層を付加することによって達成され得る。これら
は４分の３波長の厚さになる。これは帯域にリプルを加
えるが、しかしその大きさは付加する２分の１波長層の
数および位置を変えることによって制御され得る。加え
て、リプルの制御は内側の共振器に付加された２分の１
波長層の影響を受ける。帯域ファクターも同時に低下
し、それゆえこの設計ツールの使用が個々別々に考慮さ
れなければならない。

帯域形状Ｓ＝（帯域幅＠0.01％Ｔ）／（帯域幅＠50％
Ｔ）およびリプルＲ＝100％−％＠通過帯域における最
小値と定義することによって、フィルタタイプ間で比較
を行うことができる。上述したファクターに加えて４分
の１波長層の全数および全層数は最小化される。４分の
１波長層構造に２分の１波長層を付加したことによる帯
域幅の改善を測定するために、最初に基本的な帯域幅情
報が検討されなければならない。共振器として15層でで
きた硫化亜鉛−フッ化トリウム多層フィルタをもちいて
これを示すと以下のようになる。

４共振器−−それぞれ15層:S＝2.35 Ｒ＝81％ これは67の４分の１波長層とともに63層を含む これらは基準となるものである。以下の４共振器の設
計は何れもこれよりも優れた傾斜を有することはできな
い。

比較例は以下のように設計され、 11−15−15−11層からなる４共振器タイプ:S＝3.37
Ｒ＝99.8％（ケース１） 全部で２分の１波長層（２−２−２−２）を有し、媒質
にマッチングしており、これは61の４分の１波長層とと
もに57層でできている。

このファクターを改善するために最初と最後の共振器
に対して２分の１波長層が１波長層（またはそれ以上）
に変更されてもよい。

ケース１と同様の４共振器であるが、しかし２分の１
波長層を以下のように変更する 共振器の４−２−２−４からなる４分の１波長層の
＃:S＝2,85 Ｒ＝99.6％（ケース２） 媒質にマッチングしており、これは63の４分の１波長
層とともに57層でできている。

この形状は、再び４分の１波長積層体のある層に２分
の１波長層を付加することによって、更に改善されるか
もしれない。目標が厳し過ぎなければ、少しの層を付加
するだけで十分な特性が得られ、他の所望の特性を生じ
るであろう。

形状ファクターを改善するために付加される層の数を
厳密に最も少なくして用いると、 最初と最後の共振器に対してZTZT 3Z 4T 3Z TZTZ
Ｒ＝95％でＳ＝2.6 これは71の４分の１波長層とと
もに55層を含み、また 最初と最後の共振器に対してZTZ 3T 3Z 2T 3Z 3
T ZTZ Ｒ＝95％でＳ＝2.62 これは75の４分の１波長
層とともに55層を有している。

これらのフィルタ特性は殆どの適用に対して妥当であ
る。光ファイバー通信ではリプルがより少ないことが要
求される。リプルファクターがより優れるには４分の３
または２分の１の波長層を必要とし、また非常にリプル
の低いフィルタは2.85に近いＳ値を有している。例え
ば、ZTZ 3T 3Z 2T ZTZTZの外側共振器は前記４−２
−２−４タイプと同様の結果を生じる。

Ｒ＝99.5％ Ｓ＝2.85 外側共振器をZTZ 3T 3Z 2T 3Z TZTZに変更する
と以下のような中間の結果を生じる。

Ｒ＝97.6％およびＳ＝2.74 ４分の３波長層を２分の１波長層から離すように移す
ことは８リプルをなめらかにするが、しかしバンド形状
比は悪化する。一般的な適用のためには、光の入射角が
変化するのに伴うフィルタの特性変化が極めて小さいの
が望ましい。最初に検討されたフィルタ（ケース１）で
は13度を含む角度での等価損失すなわち帯域ファクター
の変化が全くない。

ケース２と同様に１波長層が用いられれば、13度で10
％の等価損失が生じる。ZTZ 3T 3Z 2T ZTZTZからな
る最初と最後の共振器に対しては、13度で４％の透過損
失が生じる。種々の構造が調べられた結果、全てに亘っ
て最も特性がよいのは以下の通りである。

そのタイプは、外側共振器としてZTZ 3T 3Z 4T
Ｚ 3T ZTZであり、また内側共振器の何れに対しても
如何なる方向においても２分の１波長層から離れた第２
層目の位置に２分の１波長層が１つ付加されている。79
の４分の１波長層からなる55層のフィルタが生じる。透
過の結果は、13度で96％Ｔ、リプルＲ＝97.5％最小およ
び形状ファクターＳ＝2.72を維持している。

これは図7bに示されている。

リプルファクターＲ＝92％最小および比Ｓ＝2.55を有
するフィルタは、最初と最後の共振器に対して以下のよ
うになる。

Ｚ 3T 3Z 3T 3Z 2T 3Z 3T 3Z 3TZ これは全層数を87層とするためにフィルタに32の４分
の１波長層を付加している。代わりにもう１つ共振器を
付加すれば、より多くの利益が得られるであろう。

以下の構造を有する５共振器は73層および90の４分の
１波長層を有している。

ZTZ 3T 3Z 4T 3Z 3T（ZT）６（TZ）７ Ｔ 3Z 4
T（ZT）８（TZ）６ 3T 3Z 4T3Z 3T ZTZ 13度での透過率は97％である。リプルＲ＝97.5％およ
び形状ファクターＳ＝2.0である。

これは図9bに示されている。

５共振器に対してよりよい形状を達成するために、そ
の構造は以下の通りであり、73層と90の４分の１波長層
を有している。

TZT 3Z 3T 3Z 4T 3Z 3T Ｚ 3T（ZT）５（TZ）
７ 3T 3Z 2T Ｚ 3T（ZT）７（TZ）５ 3T Ｚ 3T
3Z 4T 3Z 3T 3Z TZT 13度での透過率は91％最小である。リプルＲ＝96％お
よび形状ファクターＳ＝1.90である。４分の１波長層の
少ない６共振器フィルタは以下のようにより優れた特性
を有している。

以下の構造を有する６共振器は89層および107の４分
の１波長層を有している。

Ｔ（ZT）２ 3Z 4T（ZT）７（TZ）８ 2T Ｚ 3T（Z
T）４ Ｚ 3T 3Z Ｔ Ｚ 2T（ZT）８（TZ）７ 4T
3Z（TZ）２ Ｔ 13度での透過率は96％である。リプルＲ＝98.5％およ
び形状ファクターＳ＝1.73である。

特性が図10bに示されている。

五酸化タンタルおよび二酸化シリコンの交互層からな
るフィルタのスペクトル特性が図11bにプロットされて
いる。その設計は以下のようであり、76の４分の１波長
層とともに51層を含んでいる。

Ｔ 3Q 3T 4Q 3T Ｑ（TQ）４（QT）５ 3Q Ｔ 4Q
（TQ）６（QT）４ Ｑ 3T 4Q 3T 3Q Ｔ 透過率は98.5％最小よりも大きい。

傾斜Ｓ＝2.2である。透過率対波長のグラフが図11bに
示されている。

これは、基本的な帯域が屈折率比および各屈折率の絶
対値の両方に殆ど依存していない、ということを実証し
ている。低屈折率を一定にして高屈折率を変えた比較例
は通過帯域内のピークでの反射値にわずかな変化を示
す。

要するに、本発明によるフィルタはその出力応答にお
いて従来のフィルタを上回る実質的な改善をもたらす。
これは、確実に外側共振器を内側共振器よりも４層少な
くすることと２分の１波長層を４分の１波長積層対に付
加すること（およびできれば外側共振器を２分の１波長
層とすること）によって達成される。

勿論、本発明の要旨から逸脱することなく多くの他の
具体例および適用が考えられてもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 5/28

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの外側共振器［10a］と少なくとも１
   つの内側コア共振器［10b］を有し、 前記各共振器［10a,10b］は各層の厚さが４分の１波長
   で高屈折率材と低屈折率材の層が交互に並べてなる複数
   の多層反射積層体を備え、 前記各共振器［10a,10b］の前記多層反射積層体は絶縁
   材からなる厚さが２分の１波長の層によって分離されて
   おり、 前記各共振器［10a,10b］は低屈折率材からなる厚さが
   ４分の１波長の層によって隣の共振器［10a,10b］から
   分離されてなる帯域通過フィルタであって、 前記内側コア共振器［10b］における層数は７または７
   より大きい奇数であり、 前記外側共振器［10a］における厚さが４分の１波長の
   前記反射積層体の層数は対応する前記内側コア共振器
   ［10b］における厚さが４分の１波長の前記反射積層体
   の層数よりも２つ少ないことを特徴とする帯域通過フィ
   ルタ。
2. 【請求項２】２つの外側共振器および１または２以上の
   別の共振器［10a,10b］を含む複数の共振器を備え、各
   共振器［10a,10b］は高屈折率材の層と低屈折率材の層
   が交互に並ぶ２つの４分の１波長反射積層体を備え、１
   または２以上の別の共振器［10b］は絶縁材からなる３
   またはそれよりも少ない２分の１波長厚の層を有する単
   一の２分の１波長厚の層または複数の２分の１波長厚の
   層によって分離されており、またフィルタの通過帯域の
   帯域幅を広げるとともに残りの反射を低減するために前
   記外側共振器［10a］の積層体は絶縁材からなる複数の
   ２分の１波長厚の層によって分離されてなる帯域通過フ
   ィルタであって、各共振器［10a,10b］は低屈折率材か
   らなる４分の１波長厚の層によって分離されており、１
   または２以上の別の共振器［10b］における層数は７ま
   たは７より大きい奇数であり、前記複数の共振器におけ
   る外側共振器［10a］はそれぞれ各４分の１波長反射積
   層体において１または２以上の別の共振器［10b］の別
   の４分の１波長反射積層体の層数よりも２層少ない層を
   有していることを特徴とする帯域通過フィルタ。
3. 【請求項３】２つの外側共振器［10a］および１または
   ２以上の別の共振器を含む複数の共振器［10a,10b］を
   備え、各共振器［10a,10b］は高屈折率材の層と低屈折
   率材の層が交互に並ぶ２つの４分の１波長反射積層体を
   備え、１または２以上の別の共振器［10b］の積層体は
   絶縁材からなる３またはそれよりも少ない２分の１波長
   厚の層を有する単一の２分の１波長厚の層または複数の
   ２分の１波長厚の層によって分離されており、フィルタ
   の通過帯域の帯域幅を広げるとともに残りの反射を低減
   するために前記外側共振器［10a］の積層体は絶縁材か
   らなる複数の２分の１波長厚の層によって分離されてな
   る帯域通過フィルタであって、各共振器［10a,10b］は
   低屈折率材からなる４分の１波長厚の層によって分離さ
   れており、１または２以上の別の共振器［10b］におけ
   る層数は７または７より大きい奇数であり、前記複数の
   共振器［10a,10b］における外側共振器［10a］はそれぞ
   れ各４分の１波長反射積層体において１または２以上の
   別の共振器［10b］の別の４分の１波長反射積層体の層
   数よりも２層少ない層を有していることを特徴とする帯
   域通過フィルタ。
4. 【請求項４】１または２以上の別の共振器［10b］の絶
   縁材からなる複数の２分の１波長厚の層は、２つの外側
   共振器［10a］の複数の２分の１波長厚の層よりも少な
   い層数の２分の１波長厚の複数層を有することを特徴と
   する請求項３に記載の帯域通過フィルタ。
5. 【請求項５】幾つかの４分の１波長反射積層体は少なく
   とも１つの４分の３波長厚の層を含み、通過帯域の傾斜
   を変えるために、何れの外側共振器［10a］にも３つの
   ４分の１波長厚の層があり、また何れかの外側共振器
   ［10a］にある何れか３つの４分の１波長厚の層により
   もたらされるリプルを小さくするために、内側共振器
   ［10b］に設けられた３つの４分の１波長厚の層がある
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の帯域通
   過フィルタ。
6. 【請求項６】通過帯域の傾斜を増大するために外側共振
   器［10a］の４分の１波長反射積層体のうちの少なくと
   も一つは外側共振器［10a］内に４分の３波長厚の選択
   された層を有しており、また外側共振器［10a］の一方
   または両方の中にある４分の３波長厚の層によって引き
   起こされるリプルを小さくするために１または２以上の
   内側共振器［10b］の４分の１波長積層体の選択された
   層は４分の３波長厚であることを特徴とする請求項１、
   ２または３に記載の帯域通過フィルタ。
7. 【請求項７】通過帯域の傾斜を変えるために外側共振器
   ［10a］の４分の１波長反射積層体のうちの幾つかは外
   側共振器［10a］内に４分の３波長厚の選択された層を
   有しており、また外側共振器［10a］の一方または両方
   の中にある４分の３波長厚の層によって引き起こされる
   リプルを小さくするために１または２以上の内側共振器
   ［10b］の４分の１波長積層体の選択された層は４分の
   ３波長厚であることを特徴とする請求項１、２または３
   に記載の帯域通過フィルタ。
8. 【請求項８】外側共振器［10a］の隣の１または２以上
   の別の共振器［10b］の絶縁材からなる複数の２分の１
   波長厚の層は、２つの外側共振器［10a］の複数の２分
   の１波長厚の層よりも少ない層数の２分の１波長厚の複
   数層を有することを特徴とする請求項３に記載の帯域通
   過フィルタ。