JP3993479B2 - Optical multilayer filter - Google Patents

Description

【０００５】
式（１）において、ξはＳ偏光の場合はξ＝−ｎ₁・ｃｏｓ（θ）となり、Ｐ偏光の場合は、ξ＝ｎ₁／ｃｏｓ（θ）となるが、簡単のために、今後は、Ｓ偏光の場合を考える。入射角θが０度の場合には、ｃｏｓ（θ）＝１となるため、β＝２π・ｎ₁・ｄ₁／λ、ξ＝−ｎ₁となる。また、入射角θ＝０で、かつ、光学膜厚がｎ₁・ｄ₁＝λ／４の場合には、β＝π／２でなので、ｃｏｓ（β）＝０、ｓｉｎ（β）＝１となる。したがって、ｍ₁₁＝ｍ₂₂＝０、ｍ₁₂＝−１／ｎ₁、ｍ₂₁＝−ｎ₁となる。さらに、入射角θ＝０で、かつ、光学膜厚がｎ₁・ｄ₁＝λ／２の場合には、β＝πであるので、ｃｏｓ（β）＝−１、ｓｉｎ（β）＝０となる。したがって、ｍ₁₁＝ｍ₂₂＝−１、ｍ₁₂＝ｍ₂₁＝０となる。
また、式（１）の特性マトリックス（Ｍ）から、反射率係数｜ｒ｜および透過率係数ｔは、入射角θが０度の場合に、式（２）、式（３）となる。但し、基板の屈折率をｎ_sとし、空気の屈折率は、ｎ₀＝１とした。
【０００６】
【数２】

【０００７】
したがって、式（２）から反射率Ｒは式（４）、さらに式（３）から透過率Ｔは式（５）となる。
【０００８】
【数３】

【０００９】
式（２）から式（５）より、光学膜厚がｎ₁・ｄ₁＝λ／４および光学膜厚がｎ₁・ｄ₁＝λ／２の場合には、高い反射率、高い透過率が得られることがわかる。
【００１０】
次に、図１２に示すような光学多層膜の場合を考察する。図１２に示すように、屈折率ｎ_sの基板１上に、屈折率ｎ_kの光学媒質膜１７を膜厚ｄ_kで形成し、その上に屈折率ｎ_k-1の光学媒質膜１６を膜厚ｄ_k-1で形成し、順次同様の形成手順を繰り返し、最上層として屈折率ｎ₁の光学媒質膜１３を膜厚ｄ₁で形成し、全体でｋ層の光学媒質膜を有する光学多層膜フィルタを作製する。全体の特性マトリックス（Ｍ）は、各光学媒質の特性マトリックスをＭ₀、Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、．．．、Ｍ_k-2、Ｍ_k-1、Ｍ_k、Ｍ_sとした場合に、式（６）となる。但し、全体特性マトリックス（Ｍ）の行列成分をｍｍ₁₁、ｍｍ₁₂、ｍｍ₂₁、ｍｍ₂₂とした。
【００１１】
【数４】

【００１２】
上記したように、特性マトリックス（Ｍ）により、式（４）や式（５）と同様に反射率Ｒと透過率Ｔを求めることが可能である。式（６）において、入射光の波長λを設計波長（または中心波長）λ₀に固定して光学膜厚を選択することで、光学フィルタとしての設計が可能となるため、所望のバンドパスフィルタを得ることができる。
【００１３】
次に、光波長多重（波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing :WDM））通信に用いる合波フィルタや分波フィルタの要求仕様について、図１３の透過特性を参照して説明する。
バンドパス特性を評価する基準として、一般的に−０．５ｄＢでのフィルタ透過幅（または透過帯幅）Ｗ_(F)と、−２５ｄＢでのクロストーク透過幅（または−２５ｄＢ透過波長幅）Ｗ_(C)と、挿入損失とリップル強度（または透過帯域リップル）が用いられる。
【００１４】
フィルタ透過幅Ｗ_(F)は、光信号が透過するバンドパス信号の幅を示しており、狭いほど規定されたバンド帯域の中で多くの信号を通すことが可能となる。また、クロストーク幅Ｗ_(C)は、混信することなしにバンドパス信号をどれだけ近接させることができるかを示しており、細いほど混信せずにバンドパス信号を並べることができる。つまり、フィルタ透過幅Ｗ_(F)とクロストーク幅Ｗ_(C)がともに狭くなることで、規定されたバンド帯域の中で通信に使用できるバンドパス信号が増えることになる。
【００１５】
また、挿入損失とは、バンドパス信号の最大値の値と理想的な透過率１００％の強度差を示している。
さらに、リップルとは、バンドパス信号の最大値付近の部分に透過率が局所的に低下する現象が見られることであり、さざ波とも呼ばれる。リップルが発生した場合、所望のバンドパス特性が得られないことがある。リップルが発生した場合の信号の最大値と局所的透過率低下値との差をリップル強度とする。理想的なバンドパス特性として、点線で示した矩形の形状が求められている。
【００１６】
現在使用されているバンドパスフィルタの特性としては、−０．５ｄＢでのフィルタ透過幅Ｗ_(F)は２ｎｍ以下で、−２５ｄＢでのクロストーク透過幅Ｗ_(C)が４ｎｍから８ｎｍ程度であるが、既にフィルタ透過幅Ｗ_(F)が１ｎｍ以下のバンドパスフィルタの実用化を迎えている。
さらに、次世代の広帯域光波長多重通信（ＤＷＤＭ通信）に用いるバンドパス特性の要求仕様としては、フィルタ透過幅Ｗ_(F)が０．１ｎｍ、クロストーク透過幅Ｗ_(C)が０．３ｎｍ、挿入損失が０．５ｄＢ以下、リップル強度が０．２ｄＢという値が要求されている。このため最適なバンドパス特性の設計が求められている。
また、光学多層膜の総数も数十層から数百層と非常に多くなるため、膜厚や膜質の均一性もこれまで以上に高精度なものが要求されるようになっている。
【００１７】
さらに、幹線の大規模通信だけでなく、ＬＡＮ（Local Area Network）通信でデファクトスタンダードになっているイーサネット通信においても、光学多層膜フィルタが使用されつつある。現在のツイストペアによる通信に代わって光ファイバを用いた１０ＧＢＡＳＥ−Ｘや１０ＧＢＡＳＥ−Ｗという１０Ｇｂｐｓ級の通信がＩＥＥＥ８０２．３規格として標準化され、普及に向けた検討が進んでいる。この場合に用いられる多重通信方式は、ＷＷＤＭ通信（ＣＷＤＭ通信ともいう）と呼ばれ、１３１０ｎｍや１５５０ｎｍ付近の波長帯域において、数十ｎｍずれた４つの波長で４つのデータを重ね合わせて送信し、４つの受光器で別々に読み取るものである。通信距離は約３００ｍであるが、ＬＡＮの世界では一番期待されている方式となっている。
【００１８】
このＷＷＤＭ通信用にも光学多層膜フィルタが用いられる。評価基準としては、図１３に示したフィルタ特性で、フィルタ透過幅Ｗ_(F)が１０ｎｍ、クロストーク幅Ｗ_(C)が２０ｎｍ以下、挿入損失が１ｄＢ以下、リップル強度が０．５ｄＢという値が要求されている。このＷＷＤＭ通信用光学多層膜フィルタでは、低コスト化が最大の課題とされている。
【００１９】
多層膜に用いられる薄膜材料として、シリコン（Ｓｉ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、二酸化ランタン（ＬａＯ₂）、二酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、三酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）、三酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ソリウム（ＴｈＯ₂）などの酸化物および二元以上の酸化物、あるいは、シリコン酸窒化物（ＳｉＯ_xＮ_y）、あるいは、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ランタン（ＬａＮ）などの窒化物および二元以上の窒化物、あるいは、フッ素化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、三フッ化セリウム（ＣｅＦ₃）、二フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、六フッ化三ナトリウムアルミニウム（Ｎａ₃ＡｌＦ₆）などのフッ素化物、あるいは、二元以上のフッ素化物などがある。
【００２０】
一般には、これらの薄膜材料のうち適当な屈折率の異なる２種類の物質を選択し、透明基板上に薄膜形成装置を用いて光学多層膜フィルタを作成する。
【００２１】
図１４に、代表的な光学多層膜フィルタの構成例を示す。光学膜厚λ₀／２のキャビティ層４と呼ばれる層の上下を、屈折率ｎ_Lを有する第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層２（光学膜厚λ₀／４；Ｌ層）と第１の光学媒質よりも高い屈折率ｎ_Hを有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層３（光学膜厚λ₀／４；Ｈ層）とにより交互に積層した多層膜で挟んだ構造となっている。キャビティ層４は、第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に積層した積層体のうち、所定の位置の層であり、光学膜厚がλ₀／２の整数倍の第１の光学媒質または第２の光学媒質により構成される。
【００２２】
図１４では、屈折率ｎ_Sを有する基板１上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とを繰り返し１９層積層し、この上に第１の光学媒質からなるキャビティ層４（２Ｌ層）を形成し、さらにその上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とを繰り返し１９層積層して全体で３９層の多層膜となっている。空気の屈折率をｎ₀とする。このような、キャビティ層４を１つ持つ層構造を「シングルキャビティ」または「１キャビティ」と呼ぶことが多い。
さらに、キャビティ層４を２つ、３つ、４つ、５つと増した場合、それぞれ「ダブルキャビティ」または「２キャビティ」、「トリプルキャビティ」または「３キャビティ」、「４キャビティ」、「５キャビティ」と呼ぶ。
【００２３】
図１４を参照し、第１の光学媒質層２として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いた場合について詳細に説明する。但し、バンドパスフィルタとしての設計波長はλ₀＝１５５０ｎｍとした。基板１としては、一般的に使用される、ＢＫ−７や結晶化ガラス等の基板を用いた。ここでは、基板１の屈折率は１．４７とした。第２の光学媒質層３の光学膜厚は１８１．０７ｎｍであり、第１の光学媒質層２の光学膜厚は２６１．８２ｎｍであり、キャビティ層４の光学膜厚はで５２３．６４ｎｍである。
また、図１４では、屈折率を層の横幅により、模式的に表した。つまり、第１の光学媒質層２よりも第２の光学媒質層３の横幅が広いのは、第２の光学媒質層３の方の屈折率が第１の光学媒質層２より大きいことを示している。
【００２４】
図１４に示した１キャビティ構造の光学多層膜フィルタにおいて、設計波長λ₀に相当するβ＝π／２の場合について考察する。式（６）により示される特性マトリックス（Ｍ）は式（７）のようになる。よって反射率係数｜ｒ｜は式（２）より式（８）となり、さらに、式（４）より反射率Ｒを式（９）のように求めることができる。
【００２５】
【数５】

【００２６】
屈折率ｎ_sが１．４７である石英基板を考えると、式（８）から｜ｒ｜＝０．１９０３、式（９）からＲ＝０．０３６２となり、設計波長λ₀の反射率係数｜ｒ｜を小さくできる。このように、設計波長λ₀において、行列の計算が比較的簡単にできるため、反射率Ｒを比較的容易に計算することができる。
【００２７】
図１４に示した光学多層膜フィルタのシミュレーションにより計算した透過特性を図１５に示す。設計波長λ₀で透過率は０．９６３８となり、理論計算値の透過率Ｔ＝１−Ｒから得られる値と一致する。フィルタ特性としては、極めて急峻で狭いバンドパス特性が得られている。フィルタ透過幅Ｗ_(F)は、０．１ｎｍ以下、挿入損失もなく、リップルもない形状が得られていることがわかる。しかし、バンドパススペクトルの形状は、鋭い三角形の形状であり、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_(C)が１ｎｍ以上で、仕様を大きく超える。また、図１３の透過特性において点線で示した矩形の形状（理想的なバンドパス特性）から外れている。したがって、シングルキャビティでＤＷＤＭ通信用のフィルタを作製するのは困難であることがわかる。
【００２８】
そこで、シングルキャビティを直列配置して２以上のキャビティ層を持つファブリペロー型と呼ばれる多層膜構造によりバンドパススペクトル形状を矩形にしようとする試みがなされている。図１６に、２キャビティ構造（ダブルキャビティ構造）のファブリペロー型多層膜の基本構造を示す。一般的に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とを繰り返してある層数で形成した多層膜によりキャビティ層４（２Ｌ層）を挟んだ１キャビティ構造を基本として、この１キャビティ構造をつないだ構造をしている。１キャビティ５は、それぞれキャビティ層（２Ｌ層）に対して必ず対称になっている。図１６では、基板１側からみて片側２１層の１キャビティ５と片側２２層の１キャビティ５とを結合した構造をしている。
【００２９】
図１７は、図１６に示した２キャビティ構造において、例として、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用い、ユニット数を２１とした２キャビティの場合のスペクトル形状を示す。全体で８７層の多層膜となっている。バンドパスフィルタとしての設計波長はλ₀＝１５５０ｎｍとした。
【００３０】
特性マトリックス（Ｍ）は式（１０）となり、反射率係数｜ｒ｜と反射率Ｒは、式（８）と式（９）となる。
【００３１】
【数６】

【００３２】
図１７に示すバンドパススペクトルの形状を参照すると、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_(C)はシングルキャビティよりは狭くなったが、０．３ｎｍ以上であり矩形のプロファイルではなく、要求仕様を満たさないのがわかる。
【００３３】
そこで、さらにキャビティ数を増やし、バンドパススペクトルの形状を矩形のプロファイルに近づける試みがされている。例として、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用い、キャビティ数を３とした３キャビティ（トリプルキャビティ）の場合について説明する。全体で１４３層の多層膜からなる３キャビティの光学多層膜フィルタを作製した。バンドパスフィルタとしての設計波長はλ₀＝１５５０ｎｍとした。
【００３４】
特性マトリックス（Ｍ）は、式（１０）となり反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。
【００３５】
図１８に３キャビティのバンドパススペクトル形状を示す。フィルタ透過幅Ｗ_(F)は０．１ｎｍ以下を達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_(C)も０．１５ｎｍ程度となり、ほぼ矩形プロファイルが得られ、挿入損失もほぼ０ｄＢとＤＷＤＭ用の要求仕様を満たしていることがわかる。しかしながら、０．５ｄＢ以上のリップルが現れており、要求仕様を満たさない。
【００３６】
このリップルが現れる現象は、４以上のキャビティでも見られる。図１９に、第１の光学媒質層２として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用い、キャビティ数を４とした４キャビティの場合とキャビティ数を５とした５キャビティの場合のスペクトル形状を示す。設計波長はλ₀＝１５５０ｎｍとした。
【００３７】
特性マトリックス（Ｍ）は式（７）と同様となり、反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。
【００３８】
４キャビティでは、基板１上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが繰り返し多層積層され、キャビティ層４（２Ｌ層）が４層配置され、全体で１９１層の多層膜を作製した。設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）は式（７）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。バンドパススペクトル形状を参照すると、フィルタ透過幅Ｗ_(F)は０．１ｎｍ以下を達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_(C)も約０．１ｎｍとほぼ矩形のプロファイルが得られ、挿入損失も０．２ｄＢとＤＷＤＭ用の要求仕様を満たしていることがわかる。しかしながら、１ｄＢにもおよぶリップルが現れており、要求仕様を満たさなくなってしまう。
【００３９】
５キャビティでは、基板１上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが繰り返し多層積層され、キャビティ層４（２Ｌ層）が５層配置され、全体で２３９層の多層膜を作製した。設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）は式（７）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。バンドパススペクトル形状を参照すると、フィルタ透過幅Ｗ_(F)は０．１ｎｍ以下を達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_(C)も約０．１ｎｍとほぼ矩形のプロファイルが得られ、挿入損失もほぼ０ｄＢとＤＷＤＭ用の要求仕様を満たしていることがわかる。しかしながら、２．５ｄＢにもおよぶリップルが現れており、要求仕様を満たさなくなってしまう。
【００４０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、２キャビティ、３キャビティ、４キャビティ、５キャビティで見られたようなリップルが発生する現象は、６以上のキャビティでさらに顕著になる。キャビティ数が増加するにしたがって、クロストーク幅Ｗ_(C)は小さくなるが、フィルタ透過幅Ｗ_(F)やリップル強度は大きくなってしまう。フィルタ透過幅Ｗ_(F)は、層の総数により調整できるが、リップル強度は調整できない。
【００４１】
また、例に示した二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）と五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）以外、例えば五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）と水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）とにより多層膜を形成した場合においても、また、その他の組み合わせにより多層膜を形成した場合においても、この現象は見られる。
【００４２】
そのため、０．１ｎｍ程度と狭いフィルタ透過幅Ｗ_(F)を実現しながら、狭いクロストーク幅Ｗ_(C)と矩形に近いバンドパス特性を得るとともに、挿入損失とリップルを抑えたバンドパスプロファイルを示すフィルタ構造の実現が不可欠となっている。
【００４３】
そこで、本発明は、前述した従来技術の問題点や課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光通信に適応できるバンドパス特性を得ることができる光学多層膜フィルタを提供することである。
【００４４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を実現するため、本発明の光学多層膜フィルタは、第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層とこの第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の第１の積層体を、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長における特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体と、このキャビティ構造体上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した第２の積層体と、この第２の積層体上に形成され、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層と、このキャビティ層上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した第３の積層体とを有し、第１の光学媒質の屈折率をｎ_L、第２の光学媒質の屈折率をｎ_Hとした場合に、キャビティ構造体と第２の積層体とキャビティ層と第３の積層体とからなる光学多層膜フィルタのバンドパスフィルタとしての設計波長における特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が（ｎ_H／ｎ_L）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_L／ｎ_H）、または、第１行第１列が（−ｎ_H／ｎ_L）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_L／ｎ_H）であることを特徴とする。
【００４５】
本発明によれば、特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体、例えば、キャビティ数が１、４、５、８、９、およびそれ以上であるキャビティ構造体の上に、第２の積層体とキャビティ層と第３の積層体とを順次積層した光学多層膜フィルタのフィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることができる。
ここで、個々の第１の積層体は、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した構造であればよく、個々の第１の積層体を構成する第１の光学媒質層および第２の光学媒質層の層数は異なっていてもよい。
【００４６】
また、第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層とこの第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の第１の積層体を、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長における特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造体と、このキャビティ構造体上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した第２の積層体と、この第２の積層体上に形成され、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層と、このキャビティ層上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した第３の積層体とを有し、第１の光学媒質の屈折率をｎ_L、第２の光学媒質の屈折率をｎ_Hとした場合に、キャビティ構造体と第２の積層体とキャビティ層と第３の積層体とからなる光学多層膜フィルタのバンドパスフィルタとしての設計波長における特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が（ｎ_H／ｎ_L）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_L／ｎ_H）、または、第１行第１列が（−ｎ_H／ｎ_L）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_L／ｎ_H）であることを特徴とする。
【００４７】
本発明によれば、特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造体、例えば、キャビティ数が２、３、６、７、およびそれ以上であるキャビティ構造体の上に、第２の積層体とキャビティ層と第３の積層体とを順次積層した光学多層膜フィルタのフィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることができる。
ここで、個々の第１の積層体は、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した構造であればよく、個々の第１の積層体を構成する第１の光学媒質層および第２の光学媒質層の層数は異なっていてもよい。
【００４８】
さらに、第３の積層体は、第２の積層体より、第１の光学媒質層および第２の光学媒質層のそれぞれ１層、層数が少ないことを特徴とする。
【００４９】
本発明によれば、従来のキャビティ構造体の上に、第２の積層体と、キャビティ層と、第３の積層体とを順次積層した光学多層膜フィルタのフィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることができる。
【００５０】
さらに、第１の光学媒質層と、第２の光学媒質層とを、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λに対して、λ／４の整数倍になるような膜厚で形成し、キャビティ層を、このキャビティ層の光学膜厚が、設計波長λに対して、λ／２の整数倍になるような膜厚で形成したことを特徴とする。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００５２】
まず、挿入損失について実施の形態における基本的な考え方を説明する。
ファブリペロー型のマルチキャビティ構造は、第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とを繰り返してある層数形成した多層膜（積層体）によりキャビティ層４（２Ｌ層）を挟んだ１キャビティ構造を基本として、この１キャビティ構造をつないだ構造である。以下、１キャビティ構造とマルチキャビティ構造とを含めてキャビティ構造と呼ぶ。１キャビティ５は、それぞれキャビティ層（２Ｌ層）に対して必ず対称になっている。このキャビティ構造では、キャビティ数を問わず、設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）となる。１キャビティ（シングルキャビティ）、４キャビティ、５キャビティ、８キャビティ、９キャビティ、１０キャビティの特性マトリックスは式（７）で表され、２キャビティ、３キャビティ、６キャビティ、７キャビティの特性マトリックスは式（１０）で表される。つまり、特性マトリックスの第１行第１列の行列成分が１または−１であり、特性マトリックスの第１行第２列の行列成分が０であり、特性マトリックスの第２行第１列の行列成分が０であり、特性マトリックスの第２行第２列の行列成分が１または−１である。
【００５３】
このような特性マトリックス（Ｍ）から求められる反射率Ｒは式（９）となり、透過率Ｔは式（５）となる。この場合、透過率Ｔは、基板の屈折率ｎ_sの関数となる。
図１は、特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）で表されるキャビティ構造における透過率Ｔと基板の屈折率ｎ_sの関係を示したものである。
【００５４】
図１より基板の屈折率ｎ_sが大きくなると透過率Ｔが次第に減少する。このため、入力損失を抑えるためには、基板の屈折率ｎ_sを小さくする必要があることがわかる。
【００５５】
しかし、光学基板は、基板の屈折率ｎ_sが１．４７である石英基板や、基板の屈折率ｎ_sが１．４８から１．５０程度であるガラス基板が一般的である。空気の屈折率ｎ₀と比較した場合、ｎ₀＜ｎ_sの関係が成り立つ。石英基板を用いた場合は、Ｔ＝０．９６３８が理論上の最高値となる。
また、第１の光学媒質層の屈折率をｎ_L、第２の光学媒質層の屈折率をｎ_Hとした場合、ｎ_s＜ｎ_L では基板上には第２の光学媒質層が形成され、ｎ_s＞ｎ_Hでは基板上には第１の光学媒質層が形成される。
【００５６】
さらに、マルチキャビティ構造になると、リップルが大きくなるため、バンドパスフィルタのフィルタ特性の形状も考慮する必要がある。
【００５７】
そこで、本発明者らは、設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造を構成する１キャビティ構造のうち、空気側の表面層（基板の反対側の表面層）を有する１キャビティ構造において、この１キャビティ構造を構成する２個の積層体の層数を異なるようにすることにより、入力損失を抑えつつバンドパス形状を改善できることを見いだした。
具体的には、積層体の両端が第２の光学媒質層で形成されている場合に、連続する第１の光学媒質層と第２の光学媒質層の２層分だけ層数が異なるようにする。
【００５８】
この場合の特性マトリックス（Ｍ）は式（１１）または式（１２）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（１３）となる。但し、ｎ_Lは第１の光学媒質層の屈折率、ｎ_Hは第２の光学媒質層の屈折率である。
【００５９】
【数７】

【００６０】
ここで、第１の光学媒質層の屈折率ｎ_Lと第２の光学媒質層の屈折率ｎ_Hの比ｎ_H／ｎ_Lを、ｎ_H／ｎ_L＝ｒ_xとすると、この場合の透過率Ｔとｒ_xの関係は図２に示す通りとなる。但し、基板の屈折率ｎ_sは石英基板の１．４７とし、透過率Ｔは式（５）より計算した。
【００６１】
図２より、比ｎ_H／ｎ_Lが１．２程度で透過率Ｔは０ｄＢとなるが、その値から比ｎ_H／ｎ_L＝ｒ_xが大きくなっても小さくなっても透過率Ｔの値が低下することになるため、理想的な透過率１００％と透過率Ｔの最大の値の強度差により示される入力損失が大きくなる。比ｎ_H／ｎ_Lが、１以下の場合には、透過率Ｔが０ｄＢとなる場合がない。つまり、透過率Ｔを大きくするためにはｎ_H＞ｎ_Lが必要条件となる。
【００６２】
例えば、第１の光学媒質層（Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層（Ｈ層）として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いて、多層膜を作製することにより、この場合のキャビティ構造を作製した場合、比ｎ_H／ｎ_Lは１．４５であり、入力損失は０．２ｄＢとなり、設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）により表される従来のキャビティ構造と変わらない値が得られる。
【００６３】
逆に、設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造の空気側の表面層（基板の反対側の表面層）が第１の光学媒質層２（Ｌ層）により形成されている場合に、この第１の光学媒質層２（Ｌ層）およびこの第１の光学媒質層２（Ｌ層）の下の層（この第１の光学媒質層２（Ｌ層）に接している第２の光学媒質層３（Ｈ層））を取り除いた構造とした場合には、特性マトリックスは、式（１４）または式（１５）となり、反射率係数｜ｒ｜は、式（１６）となる。但し、ｎ_Lは第１の光学媒質層の屈折率、ｎ_Hは第２の光学媒質層の屈折率である。
【００６４】
【数８】

【００６５】
ここで、基板の屈折率ｎ_sを石英基板の１．４７とし、ｒｒ_x＝ｎ_L／ｎ_Hとおくと、この場合の透過率Ｔとｒｒ_xの関係は、図２において、横軸ｒ_xをｒｒ_xに置き換えたものと同等として考えることができる。ｎ_L＜ｎ_Hであるため、ｒｒ_xは必ず１より小さくなる。したがって、図２より透過率Ｔの値が低下することになるため、理想的な透過率１００％と透過率Ｔの最大値との強度差により示される入力損失が大きくなる。
例えば、第１の光学媒質層（Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層（Ｈ層）として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いて、この場合の多層膜を作成した場合、比ｎ_L／ｎ_Hが０．６９であるため、図２から、入力損失は１ｄＢ以上になることがわかる。
【００６６】
上記したように、設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造を構成する１キャビティ構造のうち、空気側の表面層（基板の反対側の表面層）を有する１キャビティ構造において、この１キャビティ構造を構成する２個の積層体の層数を異なるようにする。具体的には、積層体の両端が第２の光学媒質層により形成されている場合に、連続する第１の光学媒質層および第２の光学媒質層の２層分だけ層数を異なるようにすることにより、特性マトリックス（Ｍ）を式（１１）または式（１２）、反射率係数｜ｒ｜を式（１３）とできるため、ｎ_H／ｎ_Lを１．２程度とすることができ、入力損失を抑えることができる。
したがって、積層体の層数を異なるようにするという容易な手段により、良好なフィルタ特性を得ることができるため、光学多層膜フィルタの設計の自由度が大きく増すことが期待できる。
【００６７】
次に、実施の形態１に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
実施の形態１に係る光学多層膜フィルタは、キャビティ数が３の３キャビティ構造を有する従来のキャビティ構造、言い換えれば、第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層２（Ｌ層）とを交互に積層するという規則性を保ちつつ、シングルキャビティ５を、３個積層する構造において、空気と接する最後に形成される光学媒質層（表面層と呼ぶ）が第２の光学媒質層３（Ｈ層）である場合に、この第２の光学媒質層３（Ｈ層）およびこの第２の光学媒質層３（Ｈ層）の下の層（この第２の光学媒質層３（Ｈ層）に接している第１の光学媒質層２（Ｌ層））だけ層数を異なるようにした構造である。言い換えれば、空気側の表面層（基板１の反対側の表面層）を有する１キャビティ構造においては、表面層を有する積層体の方が第１の光学媒質層、第２の光学媒質層３の２層分だけ層数が少ない構造である。キャビティ層４は第１の光学媒質により形成した。
【００６８】
具体的な構造は、図３に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）が交互に例えば１９層積層されている。したがって、全体で１２９層の多層膜である。
【００６９】
構造の特徴としては、キャビティ層４を３個有する構造であるが、単純にシングルキャビティ５を３個積層した構造ではなく、基板１の一主面に２個のシングルキャビティ５を順次形成することによりキャビティ構造体を形成し、このキャビティ構造体上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に積層した第２の積層体を形成し、この第２の積層体上にキャビティ層を形成し、このキャビティ層上に第１の光学媒質層２および第２の光学媒質層からなるとともに層数が第２の積層体とは異なる第３の積層体を形成する点である。
言い換えれば、シングルキャビティ５において、キャビティ層４（２Ｌ層）に対して非対称である構造を形成する点である。以下、第２の積層体とキャビティ層４（２Ｌ層）と第３の積層体とを順次積層した構造を多層膜構造体と呼ぶ。
【００７０】
基板１としては、屈折率が１．４７である透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いる。キャビティ層４（２Ｌ層）として１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いる。
【００７１】
また、図３においても、屈折率を層の横幅により、模式的に表した。つまり、第１の光学媒質層２よりも第２の光学媒質層３の横幅が広いのは、第２の光学媒質層３の方の屈折率が第１の光学媒質層２より大きいことを示している。以下、同様の模式図により説明する。
【００７２】
それぞれの光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）および第２の光学媒質層３（Ｈ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ₀に対して、λ₀／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、このキャビティ層４（２Ｌ層）の光学膜厚が、設計波長λ₀に対して、λ₀／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ、第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は５２３．６４ｎｍである。
【００７３】
図３に示すキャビティ層を３個有する構造光学多層膜フィルタにおいて、設計波長λ₀に相当するβ＝π／２の場合について考察する。設計波長λ。における特性マトリックスＭは式（１１）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（１３）となる。
【００７４】
図４は、図３に示した光学多層膜フィルタのようにシングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成した場合のフィルタ透過特性である。従来のキャビティ構造と比較するために、多層膜構造体に置き換えない従来の３キャビティ構造のフィルタ透過特性も合わせて示す。従来の３キャビティ構造では、リップル強度が０．６ｄＢ程度もある。これに対して、多層膜構造体を形成したものは、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も０．２ｄＢと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍにおける透過率が向上することがわかる。
【００７５】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ₀において式（８）となる。
これに対し、実施の形態１に示す構造では、式（１３）となる。石英基板、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、式（１３）から求められる反射率係数は｜ｒ｜＝０．１９６９となり、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜とほぼ同じ値になる。よって、この反射率係数から求められる透過率Ｔもほぼ同じ値となるため、挿入損失も従来のキャビティ構造と同等であることがわかる。
また、シングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成することによって、図４に示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【００７６】
実施の形態１では、全層の数が１２９層であるが、所望のフィルタ透過幅Ｗ_(F)やクロストーク幅Ｗ_(C)を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【００７７】
次に、製造方法について説明する。上記の材料を積み重ねて多層膜を形成するために、様々な形成装置および形成方法が試みられている。中でもスパッタ法（スパッタリング法）は、危険度の高いガスや有毒ガスなどを使用する必要がなく、堆積する膜の表面凹凸（表面モフォロジ）が比較的良好であるなどの理由により、有望な成膜装置・方法の一つとなっている。その中でも、スパッタ法において化学量論的組成の膜を得るための優れた装置・方法として酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスを供給し、膜中の酸素や窒素が欠落するのを防止する反応性スパッタ装置・方法が有望である。
【００７８】
反応性スパッタ装置・方法の中でも、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance :ECR）と発散磁界を利用して作られたプラズマ流を基板に照射するとともに、ターゲットと接地間に高周波または直流電圧を印加し、上記ＥＣＲで発生させたプラズマ流中のイオンをターゲットに引き込み衝突させてスパッタ現象を引き起こすことにより、膜を基板に堆積させる装置・方法（以下、これをＥＣＲスパッタ法という）が良好な膜質を得られるとして最も有望である。
ＥＣＲスパッタ法の特徴は、例えば、小野地、ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジクス、第２３巻、第８号、Ｌ５３４頁、１９８４年（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２３，ｎｏ．８，Ｌ５３４（１９８４）．）に記載されている。
【００７９】
一般的に、ＲＦマグネトロンスパッタ法においては、０．１Ｐａ程度以上のガス圧力でないと安定なプラズマは得られないのに対し、上記ＥＣＲスパッタ法では、０．０１Ｐａ程度以下の分子流領域のガス圧力で安定なＥＣＲプラズマが得られる。
また、ＥＣＲスパッタ法は、高周波または直流電圧により、ＥＣＲにより生成したイオンをターゲットに当ててスパッタリングを行うため、低い圧力でスパッタリングができる。
【００８０】
また、ＥＣＲスパッタ法では、基板にＥＣＲプラズマ流とスパッタされた粒子が照射される。ＥＣＲプラズマ流のイオンは、発散磁界により１０ｅＶから数１０ｅＶのエネルギーに制御される。また、気体が分子流として振る舞う程度の低い圧力でプラズマを生成・輸送しているために、基板に到達するイオンのイオン電流密度も大きく取れる。したがって、ＥＣＲプラズマ流のイオンは、スパッタされて基板に飛来した原料粒子にエネルギーを与えるとともに、原料粒子と酸素または窒素との結合反応を促進するため、膜質が改善される。
【００８１】
ＥＣＲスパッタ法は、特に、外部からの加熱をしない室温に近い低い基板温度で基板上に高品質の膜が形成できることが特徴である。ＥＣＲスパッタ法による高品質な薄膜堆積については、例えば、天澤他、ジャーナルオフバキュームサイエンスアンドテクノロジー、第Ｂ１７巻、第５号、２２２２頁、１９９９年（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１７，ｎｏ．５，２２２２（１９９９）．）に記載されている。
【００８２】
また、ＥＣＲスパッタ法で堆積した膜の表面モフォロジは、原子スケールのオーダーで平坦である。したがって、ＥＣＲスパッタ法は、ナノメーターオーダーの極薄膜からなる多層膜を形成するのに有望な装置・方法である。
さらに、ＥＣＲスパッタ法では、反応性ガスの分圧を制御することで、堆積膜の屈折率を精度良く制御することができる。この特性を利用することにより、他のスパッタ法では困難である任意の屈折率に調整した堆積膜を形成し、多層膜として形成することができる。
実施の形態１においては、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、光学多層膜フィルタの製造を行った。図５に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置の概略図を示す。
【００８３】
製造方法を具体的に説明する。まず、容器内を真空にした後、ＥＣＲプラズマ源にスパッタガスおよび反応性ガスを導入し適当なガス圧にする。次に、磁気コイル９によりＥＣＲプラズマ源内に０．０８７５Ｔの磁場を発生させた後、導波管と石英窓１１を通してＥＣＲプラズマ源に周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、ＥＣＲ領域８に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを生成する。
【００８４】
ＥＣＲプラズマは、発散磁場により基板１方向にプラズマ流を作る。実施の形態１に示すＥＣＲプラズマ源は、導入したマイクロ波電力を一旦分岐してプラズマ源の直前で再び結合させるもので、ターゲット７からの飛散粒子が石英導入窓に付着することを防ぐことにより、ランニングタイムを大幅に改善できるものである。ＥＣＲプラズマ源と基板１との間にリング状の円形ターゲット７を配置し、ターゲット７に高周波電圧を印加してスパッタリングを行って、基板ホルダ６に取り付けられた基板１上に薄膜を形成する。
【００８５】
また、複数のＥＣＲプラズマ源と複数のターゲットを設置し、切り替えてスパッタリングを行うことによって、基板１上に屈折率の異なる複数の堆積膜を多層膜として形成することができる。例えば、実施の形態１においては、２つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置し、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を、キャビティ層４としてとして二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）または五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を堆積することによって、本発明の光学多層膜フィルタを形成することができる。
【００８６】
ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットにシリコンと純アルミニウムを用い、また、反応性ガスとして酸素ガスと窒素ガスとを、さらに不活性ガスとしてアルゴンを用いた酸化シリコン薄膜と酸窒化シリコン薄膜とアルミナ薄膜の成膜を行った。ＥＣＲプラズマ源には、供給する反応性ガスの多少に関わらず、プラズマが安定に得られるだけのアルゴンを導入する。
【００８７】
上記のようにして、基板１上に成膜した酸化シリコン膜と酸窒化シリコンとアルミナ膜の屈折率の酸素流量依存性を図６に示す。アルゴンガス流量が２０ｓｃｃｍとし、酸素ガス流量を０から８ｓｃｃｍの間で変化させ、ＥＣＲイオン源に導入するマイクロ波電力を５００Ｗ、ターゲットに印加する高周波電力を５００Ｗとした。但し、酸窒化シリコンでは、酸素と窒素の流量の合計が１０ｓｃｃｍとなるように調整している。また、基板１は加熱していない。なお、屈折率は６３８ｎｍレーザによるエリプソメータを用いて測定した。
【００８８】
図６によれば、酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜およびアルミナ膜の屈折率は、酸素流量の増加にしたがって減少し、屈折率が化学量論的組成を満たす二酸化シリコンまたはサファイア基板の屈折率になることがわかる。反応性ガスによって良好な膜質を保ちながら屈折率を制御できることを示している。
具体的には、屈折率を、酸化シリコン膜では１．４７から３．８の範囲で、また、酸窒化シリコン膜では１．４７から２．０の範囲で、また、アルミナ膜では１．６１から４．３の範囲で制御できる。
【００８９】
さらに、二酸化シリコン膜を含む酸化シリコン膜、アルミナ膜のみならず、ＥＣＲスパッタ法で形成できる五酸化タンタル、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ランタン、二酸化セレン、二酸化セリウム、三酸化アンチモン、三酸化インジウム、酸化マグネシウム、二酸化ソリウム等の酸化物、シリコン窒化物、窒化アルミニウム、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ランタン等の窒化物、および、シリコン酸窒化物等の酸窒化物、フッ素化マグネシウム、フッ素化セレン、三フッ化セリウム、二フッ化カルシウム、フッ化リチウム、六フッ化三ナトリウムアルミニウム等のフッ素化物、さらには、堆積時に水素を導入したアモルファスシリコン、あるいは、二元合金の酸化物、二元合金の窒化物などでも反応性ガスの流量（分圧）による屈折率制御ができる。
【００９０】
次に、実施の形態２に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
実施の形態１において、キャビティ層４が第１の光学媒質により形成された場合を示してきたが、キャビティ層４が第２の光学媒質により形成された場合にも同様の効果が得られる。例として、キャビティ数が３の３キャビティ構造で説明する。
【００９１】
実施の形態２に係る光学多層膜フィルタは、キャビティ数が３の３キャビティ構造を有する従来のキャビティ構造、言い換えれば、第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層２（Ｌ層）とを交互に積層するという規則性を保ちつつ、シングルキャビティ５を、３個積層する構造において、空気と接する最後に形成される光学媒質層（表面層と呼ぶ）が第２の光学媒質層３（Ｈ層）である場合に、この第２の光学媒質層３（Ｈ層）およびこの第２の光学媒質層３（Ｈ層）の下の層（この第２の光学媒質層３（Ｈ層）に接している第１の光学媒質層２（Ｌ層））だけ層数を異なるようにした構造である。言い換えれば、空気側の表面層（基板１の反対側の表面層）を有する１キャビティ構造においては、表面層を有する積層体の方が第１の光学媒質層２、第２の光学媒質層３の２層だけ層数が少ない構造である。
【００９２】
具体的な構造は、図７に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２０層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成されている。その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成されている。その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成されている。その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば１８層積層されている。したがって、全体で１２７層の多層膜である。
【００９３】
構造の特徴としては、キャビティ層４を３個有する構造であるが、単純にシングルキャビティ５を３個積層した構造ではなく、基板１の一主面に２個のシングルキャビティ５を順次形成することによりキャビティ構造体を形成し、このキャビティ構造体上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に積層した第２の積層体を形成し、この第２の積層体上にキャビティ層を形成し、このキャビティ層上に第１の光学媒質層および第２の光学媒質層からなるとともに層数が第２の積層体と異なる第３の積層体を形成する点である。言い換えれば、シングルキャビティ５において、キャビティ層４（２Ｈ層）に対して非対称である構造を形成する点である。以下、第２の積層体とキャビティ層と第３の積層体とを順次積層した構造を多層膜構造体と呼ぶ。
【００９４】
基板１としては、屈折率が１．４７である透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いる。キャビティ層４（２Ｈ層）として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いる。
それぞれの光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）および第２の光学媒質層３（Ｈ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ₀に対して、λ₀／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、このキャビティ層４（２Ｌ層）の光学膜厚が、設計波長λ₀に対して、λ₀／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ，第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｈ層）は、３６２．１４ｎｍである。
【００９５】
図７に示すキャビティ層を３個有する構造の光学多層膜フィルタにおいて、設計波長λ₀に相当するβ＝π／２の場合について考察する。設計波長λ。における特性マトリックスＭは式（１１）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（１３）となる。
【００９６】
図８は、図７に示した光学多層膜フィルタのようにシングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成した場合のフィルタ透過特性である。従来のキャビティ構造と比較するために、多層膜構造体に置き換えない従来の３キャビティ構造のフィルタ透過特性も合わせて示す。従来の３キャビティ構造では、リップル強度が０．６ｄＢ程度もある。これに対して、シングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成した場合は、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も０．２ｄＢと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍにおける透過率が向上することがわかる。
【００９７】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ₀において式（８）となる。
これに対し、実施の形態２に示す構造では、式（１３）のようになる。石英基板１、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、式（１３）から求められる反射率係数｜ｒ｜は、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さな値になる。よって、この反射率係数から求められる透過率Ｔは、実施の形態２に示す構造の方が従来の構造より大きくなるため、実施の形態２に示す構造の挿入損失は、従来の構造と比べて減少する。
また、シングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成することにより、図８に示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【００９８】
実施の形態２では、全層の数が１２７層であるが、所望のフィルタ透過幅Ｗ_(F)やクロストーク幅Ｗ_(C)を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【００９９】
また、製造方法は、実施の形態１と同様に、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、２つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置して、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコンを、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタルを堆積することによって、形成することができる。
また、実施の形態２においても、図６に示したように、酸素流量を変化させることにより、屈折率を変化させることができるため、フィルタ特性を調整することができる。ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットの材質と反応性ガスの流量（分量）の選択で、屈折率を制御することにより、最適な屈折率を選択することによって、最適なフィルタ特性を得ることができる。
【０１００】
次に、実施の形態３に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
これまでの実施の形態において、３キャビティ構造を例として、従来の３キャビティ構造と比較することにより説明したが、これ以上のマルチキャビティ構造においても同様の効果が得られる。例として、キャビティ数が５の５キャビティ構造について説明する。
【０１０１】
実施の形態３に係る光学多層膜フィルタは、キャビティ数が５の５キャビティ構造を有する従来のキャビティ構造、第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層２（Ｌ層）とを交互に積層するという規則性を保ちつつ、シングルキャビティ５を、５個積層する構造において、空気と接する最後に形成される光学媒質層（表面層と呼ぶ）が第２の光学媒質層３（Ｈ層）である場合に、この第２の光学媒質層３（Ｈ層）およびこの第２の光学媒質層３（Ｈ層）の下の層（この第２の光学媒質層３（Ｈ層）に接している第１の光学媒質層２（Ｌ層））分だけ層数を異なるようにした構造である。言い換えれば、空気側の表面層（基板１の反対側の表面層）を有する１キャビティ構造においては、表面層を有する積層体の方が第１の光学媒質層２、第２の光学媒質層３の２層だけ層数が少ない構造である。キャビティ層４は、例えば第１の光学媒質により形成する。
【０１０２】
具体的な構造は、図９に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４５層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４５層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。さらにその上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば１９層積層されている。したがって、全体で２２１層の多層膜となっている。
【０１０３】
構造の特徴としては、キャビティ層４を５個有する構造であるが、単純にシングルキャビティ５を５個積層した構造ではなく、基板１の一主面に４個のシングルキャビティ５を順次形成することによりキャビティ構造体を形成し、このキャビティ構造体上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に積層した第２の積層体を形成し、この第２の積層体上にキャビティ層を形成し、このキャビティ層上に第１の光学媒質層２および第２の光学媒質層３からなるとともに層数が第２の積層体とは異なる第３の積層体を形成する点である。この場合、第３の積層体を構成する第１の光学媒質層２および第２の光学媒質層３の層数は、第３の積層体と異なる。言い換えれば、シングルキャビティ５において、キャビティ層４（２Ｌ層）に対して非対称である構造を形成する点である。以下、第２の積層体とキャビティ層と第３の積層体とを順次積層した構造を多層膜構造体と呼ぶ。
【０１０４】
基板１としては、屈折率が１．４７である透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４である五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いる。キャビティ層４（２Ｈ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いる。
【０１０５】
それぞれの光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）および第２の光学媒質層３（Ｈ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ₀に対して、λ₀／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、このキャビティ層４（２Ｌ層）の光学膜厚が、設計波長λ₀に対して、λ₀／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ，第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は５２３．６４ｎｍである。
【０１０６】
図９に示すキャビティ層を５個有する構造の光学多層膜フィルタにおいて、設計波長λ₀に相当するβ＝π／２の場合について考察する。設計波長λ。における特性マトリックスＭは式（１２）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（１３）となる。
【０１０７】
図１０は、図９に示した光学多層膜フィルタのようにシングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成した場合のフィルタ透過特性である。従来のキャビティ構造と比較するために、多層膜構造体に置き換えない従来の５キャビティ構造のフィルタ透過特性も合わせて示す。従来の５キャビティ構造では、リップル強度が１ｄＢもある。これに対して、シングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成したものは、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も０．２ｄＢと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍにおける透過率が向上することがわかる。
【０１０８】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ₀において式（８）となる。
これに対し、実施の形態３に示す構造では、式（１３）のようになる。石英基板１、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、式（１３）から求められる反射率係数｜ｒ｜は、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さな値になる。よって、この反射率係数から求められる透過率Ｔは、実施の形態３に示す構造の方が従来の構造より大きくなるため、実施の形態３に示す構造の挿入損失は従来の構造と比べて減少する。
また、シングルキャビティ５の代わりに多層膜構造体を形成することにより、図１０に示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【０１０９】
実施の形態３では、全層の数が２２１層であるが、所望のフィルタ透過幅Ｗ_(F)やクロストーク幅Ｗ_(C)を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【０１１０】
さらに、実施の形態３では、キャビティ層４を第１の光学媒質で構成しているが、第２の光学媒質により構成した場合にも同様の効果が得られる。
この場合、第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とを交互に積層するという規則性を保つために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させる必要がある
【０１１１】
また、製造方法は、実施の形態１と同様に、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、３つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置して、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコンを、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタルを堆積することによって、形成することができる。
また、実施の形態３においても、図６に示したように、酸素流量を変化させることにより、屈折率を変化させることができるため、フィルタ特性を調整することができる。ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットの材質と反応性ガスの流量（分量）の選択で、屈折率を制御することにより、最適な屈折率を選択することによって、最適なフィルタ特性を得ることができる。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、設計波長λ₀における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造上に、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した第２の積層体を形成し、この第２の積層体上に、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層を形成し、このキャビティ層上に、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した第３の積層体を形成することにより、特性マトリックス（Ｍ）の行列成分の第１行第１列を（ｎ_H／ｎ_L）、第１行第２列を０、第２行第１列を０、第２行第２列を（ｎ_L／ｎ_H）、または、第１行第１列を（−ｎ_H／ｎ_L）、第１行第２列を０、第２行第１列を０、第２行第２列を（−ｎ_L／ｎ_H）とできるため、反射率係数｜ｒ｜におけるｎ_H／ｎ_Lを１．２程度とすることができ、透過率を大きくすることができ、入力損失を抑えることができる。
【０１１３】
また、フィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることにより、光通信に適応できるバンドパス特性を有する光学多層膜フィルタを得ることができる。
さらに、従来のキャビティ構造よりも少ない層数で同様のフィルタ特性を得ることができ、経済的に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 基板の屈折率と透過率との関係を説明するための図である。
【図２】 光学媒質層の屈折率の比と透過率との関係を説明するための図である。
【図３】 実施の形態１に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図４】 実施の形態１に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図５】 電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置を説明するための概略図である。
【図６】 電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置を用いて作製した膜の特性を示す図である。
【図７】 実施の形態２に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図８】 実施の形態２に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図９】 実施の形態３に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図１０】 実施の形態３に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図１１】 光学多層膜フィルタの原理を説明するための図である。
【図１２】 光学多層膜フィルタを説明するための図である。
【図１３】 光学多層膜フィルタのフィルタ特性における性能を説明するための図である。
【図１４】 光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図１５】 光学多層膜フィルタの透過特性を示す図である。
【図１６】 マルチキャビティ構造の光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図１７】 従来の２キャビティの光学多層膜フィルタの透過特性を説明するための図である。
【図１８】 従来の３キャビティの光学多層膜フィルタの透過特性を説明するための図である。
【図１９】 従来の４キャビティと５キャビティの光学多層膜フィルタの透過特性を説明するための図である。
【符号の説明】
１…基板、２…第１の光学媒質層、３…第２の光学媒質層、４…キャビティ層、５…シングルキャビティ（１キャビティ）、６…基板ホルダ、７…ターゲット、８…ＥＣＲ領域、９…磁気コイル、１０…高周波電力、１１…石英窓、１２…光学媒質膜、１３…第１の光学媒質膜、１４…第２の光学媒質膜、１５…第ｋ−２の光学媒質膜、１６…第ｋ−１の光学媒質膜、１７…第ｋの光学媒質膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical multilayer filter used for an optical communication apparatus, an optical device, or the like.
[0002]
[Prior art]
The optical multilayer filter is formed by alternately stacking optical medium films having different optical refractive indexes, for example, dielectric films, and obtains predetermined optical characteristics by utilizing interference of reflected light at the boundary surface. . In order to obtain the desired optical characteristics that cannot be obtained with a single layer film at present, various optical filters such as anti-reflection coatings on glass such as glasses and plastics, color separation prisms of video cameras, bandpass filters, and light emitting lasers. It is used for end face coating.
In addition, as a recent situation, in a multiplexing filter and a demultiplexing filter used for broadband optical wavelength division multiplexing (Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) communication), and Ethernet (registered trademark) communication used for a short distance. It is applied to 10 Gbps class Wide Wavelength Division Multiplexing (WWDM) communication (IEEE 802.3 standard).
[0003]
The design of the optical filter will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 11, the refractive index n _s The refractive index n on the substrate 1 of ₁ The transparent optical medium film 12 is formed with a film thickness d. ₁ In the single-layer film filter formed in (1), the characteristic matrix (M) when light is incident on the optical medium film 12 is defined as in Expression (1). However, the wavelength of incident light is λ, the incident angle is θ with respect to the normal of the incident surface, β = 2π · n ₁ ・ D ₁ Define as cos (θ) / λ. I represents an imaginary unit, and m ₁₁ , M ₁₂ , M _{twenty one} , M _{twenty two} Is a matrix component of the characteristic matrix (M), m ₁₁ = M _{twenty two} = Cos (β), m ₁₂ = I · 1 / ξ · sin (β), m _{twenty one} = I · ξ · sin (β).
[0004]
[Expression 1]

[0005]
In equation (1), ξ is ξ = −n for S-polarized light ₁ Cos (θ), and in the case of P-polarized light, ξ = n ₁ / Cos (θ), but for the sake of simplicity, the case of S-polarized light will be considered in the future. When the incident angle θ is 0 degree, cos (θ) = 1, so β = 2π · n ₁ ・ D ₁ / Λ, ξ = −n ₁ It becomes. Further, the incident angle θ = 0 and the optical film thickness is n. ₁ ・ D ₁ In the case of = λ / 4, since β = π / 2, cos (β) = 0 and sin (β) = 1. Therefore, m ₁₁ = M _{twenty two} = 0, m ₁₂ = -1 / n ₁ , M _{twenty one} = -N ₁ It becomes. Further, the incident angle θ = 0 and the optical film thickness is n. ₁ ・ D ₁ In the case of = λ / 2, since β = π, cos (β) = − 1 and sin (β) = 0. Therefore, m ₁₁ = M _{twenty two} = -1, m ₁₂ = M _{twenty one} = 0.
Further, from the characteristic matrix (M) of the equation (1), the reflectance coefficient | r | and the transmittance coefficient t are expressed by the equations (2) and (3) when the incident angle θ is 0 degree. However, the refractive index of the substrate is n _s And the refractive index of air is n ₀ = 1.
[0006]
[Expression 2]

[0007]
Therefore, the reflectance R from the equation (2) is the equation (4), and the transmittance T from the equation (3) is the equation (5).
[0008]
[Equation 3]

[0009]
From equations (2) to (5), the optical film thickness is n ₁ ・ D ₁ = Λ / 4 and optical film thickness is n ₁ ・ D ₁ It can be seen that when λ / 2, high reflectance and high transmittance can be obtained.
[0010]
Next, consider the case of an optical multilayer film as shown in FIG. As shown in FIG. 12, the refractive index n _s The refractive index n on the substrate 1 of _k The optical medium film 17 of the thickness d _k And a refractive index n on it _k-1 The optical medium film 16 of the film thickness d _k-1 And the same formation procedure is repeated in order, with the refractive index n as the top layer ₁ The optical medium film 13 of the film thickness d ₁ To produce an optical multilayer filter having a total of k optical medium films. The overall characteristic matrix (M) is the characteristic matrix of each optical medium. ₀ , M ₁ , M ₂ , M _Three ,. . . , M _k-2 , M _k-1 , M _k , M _s In this case, Equation (6) is obtained. However, the matrix component of the overall characteristic matrix (M) is mm ₁₁ , Mm ₁₂ , Mm _{twenty one} , Mm _{twenty two} It was.
[0011]
[Expression 4]

[0012]
As described above, the reflectance R and the transmittance T can be obtained from the characteristic matrix (M) similarly to the equations (4) and (5). In Expression (6), the wavelength λ of the incident light is changed to the design wavelength (or center wavelength) λ. ₀ Since the optical filter can be designed by fixing the optical film thickness to the desired thickness, a desired band-pass filter can be obtained.
[0013]
Next, required specifications of a multiplexing filter and a demultiplexing filter used for optical wavelength division multiplexing (Wavelength Division Multiplexing: WDM) communication will be described with reference to the transmission characteristics of FIG.
A filter transmission width (or transmission band width) W at −0.5 dB is generally used as a standard for evaluating the bandpass characteristics. _(F) And the crosstalk transmission width (or -25 dB transmission wavelength width) at -25 dB W _(C) Insertion loss and ripple strength (or transmission band ripple) are used.
[0014]
Filter transmission width W _(F) Indicates the width of the band-pass signal through which the optical signal is transmitted. The narrower the band, the greater the number of signals that can pass through. Crosstalk width W _(C) Indicates how close the band-pass signals can be made without interference, and the narrower the band-pass signals can be arranged without interference. That is, the filter transmission width W _(F) And crosstalk width W _(C) Since both of these are narrowed, the number of bandpass signals that can be used for communication within the specified band band increases.
[0015]
The insertion loss indicates the intensity difference between the maximum value of the bandpass signal and the ideal transmittance of 100%.
Furthermore, the ripple is a phenomenon in which the transmittance is locally reduced in the vicinity of the maximum value of the bandpass signal, and is also called ripple. When ripples occur, desired bandpass characteristics may not be obtained. The difference between the maximum value of the signal when the ripple occurs and the local transmittance decrease value is defined as the ripple strength. As an ideal bandpass characteristic, a rectangular shape indicated by a dotted line is required.
[0016]
The characteristics of the bandpass filter currently used include a filter transmission width W at −0.5 dB. _(F) Is less than 2 nm and crosstalk transmission width W at −25 dB _(C) Is about 4 to 8 nm, but the filter transmission width W is already _(F) However, a bandpass filter with a thickness of 1 nm or less has been put to practical use.
Furthermore, as a required specification of the band pass characteristic used for the next generation broadband optical wavelength division multiplexing communication (DWDM communication), the filter transmission width W _(F) 0.1 nm, crosstalk transmission width W _(C) Is 0.3 nm, the insertion loss is 0.5 dB or less, and the ripple strength is 0.2 dB. For this reason, the design of the optimal band pass characteristic is calculated | required.
In addition, since the total number of optical multilayer films increases from several tens to several hundreds, the uniformity of film thickness and film quality is required to be higher than ever.
[0017]
Furthermore, optical multilayer filters are being used not only in large-scale communication on trunk lines but also in Ethernet communication, which is the de facto standard for LAN (Local Area Network) communication. 10 Gbps-class communication such as 10 GBASE-X and 10 GBASE-W using optical fibers instead of the current twisted pair communication has been standardized as the IEEE 802.3 standard, and studies for widespread use are in progress. The multiplex communication method used in this case is called WWDM communication (also referred to as CWDM communication), and in a wavelength band near 1310 nm or 1550 nm, four data are transmitted with four wavelengths shifted by several tens of nm, It is read separately by four light receivers. Although the communication distance is about 300 m, it is the most expected method in the LAN world.
[0018]
An optical multilayer filter is also used for this WWDM communication. The evaluation criteria are the filter characteristics shown in FIG. _(F) 10nm, crosstalk width W _(C) Is required to be 20 nm or less, insertion loss is 1 dB or less, and ripple strength is 0.5 dB. In the optical multilayer filter for WWDM communication, cost reduction is regarded as the biggest problem.
[0019]
As a thin film material used for the multilayer film, silicon (Si), amorphous silicon (a-Si), hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), silicon dioxide (SiO2) ₂ ), Tantalum pentoxide (Ta ₂ O _Five ), Alumina (Al ₂ O _Three ), Titanium dioxide (TiO ₂ ), Zirconium dioxide (ZrO) ₂ ), Hafnium dioxide (HfO) ₂ ), Lanthanum dioxide (LaO) ₂ ), Cerium dioxide (CeO) ₂ ), Antimony trioxide (Sb) ₂ O _Three ), Indium trioxide (In ₂ O _Three ), Magnesium oxide (MgO), sodium dioxide (ThO) ₂ ) And oxides of two or more, or silicon oxynitride (SiO _x N _y ), Or nitrides such as silicon nitride (SiN), aluminum nitride (AlN), zirconium nitride (ZrN), hafnium nitride (HfN), lanthanum nitride (LaN) and two or more nitrides, or fluorination Magnesium (MgF ₂ ), Cerium trifluoride (CeF) _Three ), Calcium difluoride (CaF) ₂ ), Lithium fluoride (LiF), trisodium aluminum hexafluoride (Na) _Three AlF ₆ ), Or two or more fluorinated compounds.
[0020]
In general, two kinds of substances having different appropriate refractive indexes are selected from these thin film materials, and an optical multilayer filter is formed on a transparent substrate using a thin film forming apparatus.
[0021]
FIG. 14 shows a configuration example of a typical optical multilayer filter. Optical film thickness λ ₀ The refractive index n is above and below the layer called the cavity layer 4 of / 2. _L The first optical medium layer 2 (optical film thickness λ ₀ / 4; L layer) and a higher refractive index n than the first optical medium _H The second optical medium layer 3 (optical film thickness λ ₀ / 4; H layer) and a multilayer film alternately stacked. The cavity layer 4 is a layer at a predetermined position in the laminated body in which the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3 are alternately laminated, and the optical film thickness is λ. ₀ It is constituted by a first optical medium or a second optical medium that is an integral multiple of / 2.
[0022]
In FIG. 14, the refractive index n _S 19 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are repeatedly laminated on a substrate 1 having a cavity layer 4 made of the first optical medium. (2L layer) is formed, and 19 layers of the second optical medium layer 3 and the first optical medium layer 2 are repeatedly laminated thereon to form a multilayer film of 39 layers as a whole. N is the refractive index of air. ₀ And Such a layer structure having one cavity layer 4 is often referred to as “single cavity” or “one cavity”.
Furthermore, when the number of the cavity layers 4 is increased to 2, 3, 4, and 5, “double cavity” or “2 cavities”, “triple cavity” or “3 cavities”, “4 cavities”, and “5 cavities”, respectively. "
[0023]
Referring to FIG. 14, silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the first optical medium layer 2. ₂ ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 ₂ O _Five ) Will be described in detail. However, the design wavelength as a bandpass filter is λ ₀ = 1550 nm. As the substrate 1, a commonly used substrate such as BK-7 or crystallized glass was used. Here, the refractive index of the substrate 1 is 1.47. The optical thickness of the second optical medium layer 3 is 181.07 nm, the optical thickness of the first optical medium layer 2 is 261.82 nm, and the optical thickness of the cavity layer 4 is 523.64 nm. .
In FIG. 14, the refractive index is schematically represented by the lateral width of the layer. That is, the width of the second optical medium layer 3 wider than that of the first optical medium layer 2 indicates that the refractive index of the second optical medium layer 3 is larger than that of the first optical medium layer 2. ing.
[0024]
In the optical multilayer filter having a single cavity structure shown in FIG. ₀ Consider the case of β = π / 2 corresponding to. The characteristic matrix (M) shown by the equation (6) is as shown in the equation (7). Therefore, the reflectance coefficient | r | is expressed by Equation (8) from Equation (2), and the reflectance R can be obtained by Equation (9) from Equation (4).
[0025]
[Equation 5]

[0026]
Refractive index n _s Considering a quartz substrate having a value of 1.47, | r | = 0.1903 from equation (8), R = 0.0362 from equation (9), and the design wavelength λ ₀ The reflectance coefficient | r | can be reduced. Thus, the design wavelength λ ₀ Since the matrix can be calculated relatively easily, the reflectance R can be calculated relatively easily.
[0027]
FIG. 15 shows the transmission characteristics calculated by the simulation of the optical multilayer filter shown in FIG. Design wavelength λ ₀ The transmittance is 0.9638, which is the same as the value obtained from the theoretically calculated transmittance T = 1−R. As the filter characteristics, extremely steep and narrow bandpass characteristics are obtained. Filter transmission width W _(F) It can be seen that a shape with 0.1 nm or less, no insertion loss, and no ripple is obtained. However, the shape of the bandpass spectrum is a sharp triangular shape and has a crosstalk width W of −25 dB. _(C) Is over 1nm, greatly exceeding the specification. Further, the transmission characteristic in FIG. 13 deviates from the rectangular shape (ideal bandpass characteristic) indicated by the dotted line. Therefore, it can be seen that it is difficult to produce a filter for DWDM communication with a single cavity.
[0028]
Therefore, attempts have been made to make the bandpass spectrum shape rectangular by a multilayer film structure called a Fabry-Perot type having a single cavity arranged in series and having two or more cavity layers. FIG. 16 shows a basic structure of a Fabry-Perot multilayer film having a two-cavity structure (double-cavity structure). In general, the cavity layer 4 (2L layer) is sandwiched between multilayer films formed by repeating the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) with a certain number of layers. Based on a one-cavity structure, this one-cavity structure is connected. Each cavity 5 is always symmetrical with respect to the cavity layer (2L layer). FIG. 16 shows a structure in which one cavity 5 of 21 layers on one side and one cavity 5 of 22 layers on one side are coupled to each other when viewed from the substrate 1 side.
[0029]
FIG. 17 shows an example of silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the first optical medium layer 2 (L layer) in the two-cavity structure shown in FIG. ₂ ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) ₂ O _Five ) And the spectrum shape in the case of 2 cavities with 21 units. A total of 87 multilayer films are formed. Design wavelength as a bandpass filter is λ ₀ = 1550 nm.
[0030]
The characteristic matrix (M) is expressed by equation (10), and the reflectance coefficient | r | and the reflectance R are expressed by equations (8) and (9).
[0031]
[Formula 6]

[0032]
Referring to the shape of the bandpass spectrum shown in FIG. 17, the crosstalk width W of −25 dB. _(C) Although it is narrower than the single cavity, it is 0.3 nm or more and it is not a rectangular profile, and it can be seen that it does not meet the required specifications.
[0033]
Therefore, an attempt has been made to further increase the number of cavities and bring the shape of the bandpass spectrum closer to a rectangular profile. As an example, silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the first optical medium layer 2 (L layer). ₂ ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) ₂ O _Five ) And 3 cavities (triple cavities) with 3 cavities will be described. A three-cavity optical multilayer filter consisting of a total of 143 multilayers was produced. Design wavelength as a bandpass filter is λ ₀ = 1550 nm.
[0034]
The characteristic matrix (M) is expressed by equation (10), and the reflectance coefficient | r | is expressed by equation (8).
[0035]
FIG. 18 shows the bandpass spectrum shape of three cavities. Filter transmission width W _(F) Has achieved 0.1 nm or less and has a crosstalk width W of −25 dB. _(C) Is about 0.15 nm, a substantially rectangular profile is obtained, and the insertion loss is almost 0 dB, which satisfies the required specification for DWDM. However, a ripple of 0.5 dB or more appears and does not satisfy the required specifications.
[0036]
The phenomenon in which this ripple appears is also seen in four or more cavities. FIG. 19 shows silicon dioxide (SiO 2 having a refractive index of 1.48 as the first optical medium layer 2. ₂ ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 ₂ O _Five ), The spectrum shapes in the case of 4 cavities with 4 cavities and 5 cavities with 5 cavities are shown. Design wavelength is λ ₀ = 1550 nm.
[0037]
The characteristic matrix (M) is the same as that of the equation (7), and the reflectance coefficient | r | is the equation (8).
[0038]
In the four cavities, the second optical medium layer 3 and the first optical medium layer 2 are repeatedly laminated on the substrate 1, and four cavity layers 4 (2L layers) are arranged, for a total of 191 multilayer films. Was made. Design wavelength λ ₀ The characteristic matrix (M) in FIG. 7 is expressed by equation (7), and the reflectance coefficient | r | is expressed by equation (8). Referring to the bandpass spectral shape, the filter transmission width W _(F) Has achieved 0.1 nm or less and has a crosstalk width W of −25 dB. _(C) It can be seen that a substantially rectangular profile of about 0.1 nm is obtained, and the insertion loss is 0.2 dB, which satisfies the required specification for DWDM. However, a ripple as large as 1 dB appears and the required specifications are not satisfied.
[0039]
In the five cavities, the second optical medium layer 3 and the first optical medium layer 2 are repeatedly laminated on the substrate 1, and five cavity layers 4 (2L layers) are arranged, resulting in a total of 239 multilayer films. Was made. Design wavelength λ ₀ The characteristic matrix (M) in FIG. 7 is expressed by equation (7), and the reflectance coefficient | r | is expressed by equation (8). Referring to the bandpass spectral shape, the filter transmission width W _(F) Has achieved 0.1 nm or less and has a crosstalk width W of −25 dB. _(C) It can be seen that a substantially rectangular profile of about 0.1 nm is obtained, and the insertion loss is also about 0 dB, which satisfies the required specification for DWDM. However, ripples as large as 2.5 dB appear and the required specifications are not satisfied.
[0040]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the phenomenon of ripples as seen in 2 cavities, 3 cavities, 4 cavities, and 5 cavities becomes more prominent in 6 or more cavities. As the number of cavities increases, the crosstalk width W _(C) Is reduced, but the filter transmission width W _(F) And the ripple strength will increase. Filter transmission width W _(F) Can be adjusted by the total number of layers, but the ripple strength cannot be adjusted.
[0041]
In addition, silicon dioxide (SiO ₂ ) And tantalum pentoxide (Ta ₂ O _Five For example, tantalum pentoxide (Ta ₂ O _Five ) And hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), and this phenomenon is also observed when a multilayer film is formed by other combinations.
[0042]
Therefore, the filter transmission width W is as narrow as about 0.1 nm. _(F) Narrow crosstalk width W _(C) Therefore, it is indispensable to obtain a filter structure that exhibits a band-pass characteristic close to a rectangle and a band-pass profile with suppressed insertion loss and ripple.
[0043]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems and problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an optical multilayer filter that can obtain bandpass characteristics that can be adapted to optical communication. That is.
[0044]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical multilayer filter of the present invention comprises a first optical medium layer comprising a first optical medium and a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium. A bandpass filter having a cavity structure in which a plurality of first laminated bodies alternately laminated with second optical medium layers are connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium. Cavity structure in which the first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength as is 1, the first row and the second column are 0, the second row and the first column are 0, and the second row and the second column are 1 Formed on the second laminated body, a second laminated body in which the first optical medium layer and the second optical medium layer are alternately laminated, and the second laminated body. A cavity layer composed of one optical medium or a second optical medium, and Stacked on the Yabiti layer, and the first optical medium layer and the second optical medium layer and a third laminate formed by alternately stacking, the refractive index of the first optical medium n _L , The refractive index of the second optical medium is n _H In the first row of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength as the bandpass filter of the optical multilayer filter comprising the cavity structure, the second laminate, the cavity layer, and the third laminate. The column is (n _H / N _L ), First row and second column are 0, second row and first column are 0, second row and second column are (n _L / N _H ) Or the first row and the first column are (-n _H / N _L ), The first row and the second column are 0, the second row and the first column are 0, and the second row and the second column are (-n _L / N _H ).
[0045]
According to the present invention, the first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix are 1, the first row and the second column are 0, the second row and the first column are 0, and the second row and the second column are 1. Optical in which a second laminate, a cavity layer, and a third laminate are sequentially laminated on a structure, for example, a cavity structure having 1, 4, 5, 8, 9, and more cavities The shape of the filter characteristic of the multilayer filter can be adjusted, ripples can be reduced, and the transmittance at the design wavelength can be improved.
Here, each of the first stacked bodies may have a structure in which the first optical medium layers and the second optical medium layers are alternately stacked, and the first stacked bodies constituting the individual first stacked bodies may be used. The number of layers of the optical medium layer and the second optical medium layer may be different.
[0046]
Further, a plurality of first optical medium layers made of the first optical medium and a plurality of second optical medium layers made of the second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium are alternately stacked. The first row of matrix components of the characteristic matrix at the design wavelength as a bandpass filter has a cavity structure in which one laminate is connected via a cavity layer made of a first optical medium or a second optical medium. A cavity structure in which one column is -1, first row and second column is 0, second row and first column is 0, and second row and second column is -1, and stacked on the cavity structure. A second laminated body in which one optical medium layer and a second optical medium layer are alternately laminated, and a cavity formed on the second laminated body and made of the first optical medium or the second optical medium And a first optical medium layer and a first layer stacked on the cavity layer. Third and a laminate, the refractive index of the first optical medium n that lamination of the optical medium layer alternately _L , The refractive index of the second optical medium is n _H In the first row of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength as the bandpass filter of the optical multilayer filter comprising the cavity structure, the second laminate, the cavity layer, and the third laminate. The column is (n _H / N _L ), First row and second column are 0, second row and first column are 0, second row and second column are (n _L / N _H ) Or the first row and the first column are (-n _H / N _L ), The first row and the second column are 0, the second row and the first column are 0, and the second row and the second column are (-n _L / N _H ).
[0047]
According to the present invention, the first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix are −1, the first row and the second column are 0, the second row and the first column are 0, and the second row and the second column are −1. Optical in which a second laminated body, a cavity layer, and a third laminated body are sequentially laminated on a certain cavity structure, for example, a cavity structure having 2, 3, 6, 7, or more cavities. The shape of the filter characteristic of the multilayer filter can be adjusted, ripples can be reduced, and the transmittance at the design wavelength can be improved.
Here, each of the first stacked bodies may have a structure in which the first optical medium layers and the second optical medium layers are alternately stacked, and the first stacked bodies constituting the individual first stacked bodies may be used. The number of layers of the optical medium layer and the second optical medium layer may be different.
[0048]
Further, the third laminated body is characterized in that each of the first optical medium layer and the second optical medium layer has a smaller number of layers than the second laminated body.
[0049]
According to the present invention, the shape of the filter characteristic of the optical multilayer filter in which the second laminated body, the cavity layer, and the third laminated body are sequentially laminated on the conventional cavity structure is adjusted, and Ripple can be reduced and the transmittance at the design wavelength can be improved.
[0050]
Furthermore, the first optical medium layer and the second optical medium layer are formed with film thicknesses such that these optical film thicknesses are each an integral multiple of λ / 4 with respect to the design wavelength λ. The cavity layer is formed so that the optical film thickness of the cavity layer is an integral multiple of λ / 2 with respect to the design wavelength λ.
[0051]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
[0052]
First, the basic concept of the embodiment regarding the insertion loss will be described.
The Fabry-Perot type multi-cavity structure has a cavity layer formed by a multilayer film (laminated body) in which the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are repeatedly formed. This is a structure in which this one-cavity structure is connected based on a one-cavity structure with 4 (2L layer) sandwiched therebetween. Hereinafter, a single cavity structure and a multi-cavity structure are collectively referred to as a cavity structure. Each cavity 5 is always symmetrical with respect to the cavity layer (2L layer). In this cavity structure, regardless of the number of cavities, the design wavelength λ ₀ The characteristic matrix (M) in the equation (7) or (10). The characteristic matrix of 1 cavity (single cavity), 4 cavities, 5 cavities, 8 cavities, 9 cavities and 10 cavities is expressed by equation (7), and the characteristic matrix of 2 cavities, 3 cavities, 6 cavities and 7 cavities is expressed by the equation (7) 10). That is, the matrix component of the first row and first column of the characteristic matrix is 1 or −1, the matrix component of the first row and second column of the characteristic matrix is 0, and the matrix of the second row and first column of the characteristic matrix The component is 0, and the matrix component in the second row and second column of the characteristic matrix is 1 or -1.
[0053]
The reflectance R obtained from such a characteristic matrix (M) is expressed by equation (9), and the transmittance T is expressed by equation (5). In this case, the transmittance T is the refractive index n of the substrate. _s Is a function of
FIG. 1 shows the transmittance T and the refractive index n of the substrate in the cavity structure in which the characteristic matrix (M) is represented by the formula (7) or the formula (10) _s This shows the relationship.
[0054]
From FIG. 1, the refractive index n of the substrate _s As T becomes larger, the transmittance T gradually decreases. Therefore, in order to suppress the input loss, the refractive index n of the substrate _s It is understood that it is necessary to reduce the size.
[0055]
However, the optical substrate has a refractive index n of the substrate. _s A quartz substrate with a 1.47 or a refractive index n of the substrate _s Is generally a glass substrate of about 1.48 to 1.50. Refractive index n of air ₀ N when compared to ₀ <N _s The relationship holds. When a quartz substrate is used, T = 0.9638 is the theoretical maximum value.
The refractive index of the first optical medium layer is n _L , The refractive index of the second optical medium layer is n _H N _s <N _L Then, a second optical medium layer is formed on the substrate, and n _s > N _H Then, the first optical medium layer is formed on the substrate.
[0056]
Furthermore, since the ripple becomes large in the multi-cavity structure, it is necessary to consider the shape of the filter characteristics of the bandpass filter.
[0057]
Therefore, the present inventors have designed wavelength λ ₀ Among the one-cavity structures in which the characteristic matrix (M) in FIG. 1 constitutes the conventional cavity structure of the formula (7) or the formula (10), The inventors have found that the bandpass shape can be improved while suppressing the input loss by making the number of layers of the two laminates constituting this one-cavity structure different.
Specifically, when both ends of the laminate are formed of the second optical medium layer, the number of layers is different by two layers of the continuous first optical medium layer and the second optical medium layer. To do.
[0058]
In this case, the characteristic matrix (M) is expressed by equation (11) or (12), and the reflectance coefficient | r | is expressed by equation (13). However, n _L Is the refractive index of the first optical medium layer, n _H Is the refractive index of the second optical medium layer.
[0059]
[Expression 7]

[0060]
Here, the refractive index n of the first optical medium layer _L And the refractive index n of the second optical medium layer _H Ratio n _H / N _L N _H / N _L = R _x Then, the transmittance T and r in this case _x The relationship is as shown in FIG. However, the refractive index n of the substrate _s Was 1.47 of the quartz substrate, and the transmittance T was calculated from equation (5).
[0061]
From FIG. 2, the ratio n _H / N _L Is about 1.2, and the transmittance T is 0 dB. _H / N _L = R _x Since the value of the transmittance T decreases as the value increases or decreases, the input loss indicated by the intensity difference between the ideal transmittance 100% and the maximum value of the transmittance T increases. Ratio n _H / N _L However, if it is 1 or less, the transmittance T may not be 0 dB. That is, in order to increase the transmittance T, n _H > N _L Is a necessary condition.
[0062]
For example, silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the first optical medium layer (L layer). ₂ ) Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer (H layer) ₂ O _Five ), The cavity structure in this case is produced by producing a multilayer film. _H / N _L Is 1.45, the input loss is 0.2 dB, and the design wavelength λ ₀ The characteristic matrix (M) in (1) is the same value as the conventional cavity structure represented by the formula (7) or the formula (10).
[0063]
Conversely, the design wavelength λ ₀ The air-side surface layer (surface layer on the opposite side of the substrate) of the conventional cavity structure in which the characteristic matrix (M) in Equation (7) or Equation (10) is formed by the first optical medium layer 2 (L layer) The first optical medium layer 2 (L layer) and a layer below the first optical medium layer 2 (L layer) (in contact with the first optical medium layer 2 (L layer)). In the case where the second optical medium layer 3 (H layer) is removed, the characteristic matrix is expressed by Equation (14) or Equation (15), and the reflectance coefficient | r | is expressed by Equation (16). ) However, n _L Is the refractive index of the first optical medium layer, n _H Is the refractive index of the second optical medium layer.
[0064]
[Equation 8]

[0065]
Here, the refractive index n of the substrate _s Is 1.47 of the quartz substrate and rr _x = N _L / N _H In this case, the transmittance T and rr in this case _x The relationship of the horizontal axis r in FIG. _x Rr _x Can be thought of as equivalent to n _L <N _H So rr _x Is always less than 1. Therefore, since the value of the transmittance T is lowered as compared with FIG. 2, the input loss indicated by the intensity difference between the ideal transmittance 100% and the maximum value of the transmittance T is increased.
For example, silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the first optical medium layer (L layer). ₂ ) Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer (H layer) ₂ O _Five ) Is used to create the multilayer film in this case, the ratio n _L / N _H 2 is 0.69, it can be seen from FIG. 2 that the input loss is 1 dB or more.
[0066]
As mentioned above, the design wavelength λ ₀ Among the one-cavity structures in which the characteristic matrix (M) in FIG. 1 constitutes the conventional cavity structure of the formula (7) or the formula (10), The number of layers of the two laminates constituting this one-cavity structure is made different. Specifically, when both ends of the laminate are formed by the second optical medium layer, the number of layers is different by two layers of the continuous first optical medium layer and the second optical medium layer. By doing so, the characteristic matrix (M) can be changed to the equation (11) or (12), and the reflectance coefficient | r | can be changed to the equation (13). _H / N _L Can be reduced to about 1.2, and input loss can be suppressed.
Accordingly, it is possible to obtain a good filter characteristic by an easy means of making the number of layers of the laminated body different, so that the degree of freedom in designing the optical multilayer filter can be expected to increase greatly.
[0067]
Next, the optical multilayer filter according to Embodiment 1 will be described.
The optical multilayer filter according to Embodiment 1 has a conventional cavity structure having a three-cavity structure with three cavities, in other words, a second optical medium layer 3 (H layer) composed of a second optical medium and a first cavity structure. In the structure in which three single cavities 5 are laminated while maintaining the regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) made of one optical medium, it is formed last in contact with air. When the optical medium layer (referred to as a surface layer) is the second optical medium layer 3 (H layer), the second optical medium layer 3 (H layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) ) (The first optical medium layer 2 (L layer) in contact with the second optical medium layer 3 (H layer)) is different in the number of layers. In other words, in a one-cavity structure having a surface layer on the air side (a surface layer on the opposite side of the substrate 1), the laminated body having the surface layer is better than the first optical medium layer 3 and the second optical medium layer 3. The number of layers is small by two layers. The cavity layer 4 was formed of the first optical medium.
[0068]
Specifically, as shown in FIG. 3, for example, 21 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated on the transparent substrate 1. A cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. The second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer), for example, 43 layers are alternately laminated thereon, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Yes. The second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer), for example, 43 layers are alternately laminated thereon, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Yes. On that layer, for example, 19 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated. Therefore, it is a multilayer film of 129 layers as a whole.
[0069]
The structure is characterized by having three cavity layers 4, but it is not simply a structure in which three single cavities 5 are stacked, but two single cavities 5 are sequentially formed on one main surface of the substrate 1. To form a cavity structure, and a second laminated body in which the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3 are alternately laminated is formed on the cavity structure, and this second laminated body is formed. A cavity layer is formed on the cavity layer, and a third laminated body that includes the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer and has a different number of layers from the second laminated body is formed on the cavity layer. It is.
In other words, in the single cavity 5, a structure that is asymmetric with respect to the cavity layer 4 (2L layer) is formed. Hereinafter, a structure in which the second stacked body, the cavity layer 4 (2L layer), and the third stacked body are sequentially stacked is referred to as a multilayer film structure.
[0070]
The substrate 1 is a transparent substrate having a refractive index of 1.47, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2 having a refractive index of 1.48. ₂ ), 2.14 tantalum pentoxide (Ta) as the second optical medium layer 3 (H layer) ₂ O _Five ) Is used. 1.48 silicon dioxide (SiO2) as cavity layer 4 (2L layer) ₂ ) Is used.
[0071]
Also in FIG. 3, the refractive index is schematically represented by the lateral width of the layer. That is, the width of the second optical medium layer 3 wider than that of the first optical medium layer 2 indicates that the refractive index of the second optical medium layer 3 is larger than that of the first optical medium layer 2. ing. Hereinafter, the same schematic diagram will be used for explanation.
[0072]
Each optical film thickness is the design wavelength (hereinafter referred to as the design wavelength) as a bandpass filter. ₀ = 1550 nm, the optical film thicknesses of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are respectively equal to the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The film thickness is formed to be an integral multiple of / 4. The cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The film thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
Specifically, the first optical medium layer 2 (L layer) is 261.82 nm, and the second optical medium layer 3 (H layer) is 181.07 nm. The cavity layer 4 (2L layer) is 523.64 nm.
[0073]
In the structured optical multilayer filter having three cavity layers shown in FIG. ₀ Consider the case of β = π / 2 corresponding to. Design wavelength λ. The characteristic matrix M in FIG. 4 becomes the equation (11), and the reflectance coefficient | r | becomes the equation (13).
[0074]
FIG. 4 shows filter transmission characteristics when a multilayer structure is formed instead of the single cavity 5 as in the optical multilayer filter shown in FIG. For comparison with a conventional cavity structure, filter transmission characteristics of a conventional three-cavity structure that is not replaced with a multilayer film structure are also shown. In the conventional three-cavity structure, the ripple strength is about 0.6 dB. On the other hand, the one formed with the multilayer structure has a design wavelength λ ₀ It can be seen that there is no drop in transmittance at a portion deviated from = 1550 nm, and the ripple strength is greatly improved to 0.2 dB.
Design wavelength λ ₀ It can be seen that the transmittance at 1550 nm is improved.
[0075]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. ₀ (8).
On the other hand, in the structure shown in Embodiment 1, it becomes Formula (13). When the refractive indexes of the quartz substrate, the second optical medium layer 3 (H layer), and the first optical medium layer 2 (L layer) are substituted, the reflectance coefficient obtained from the equation (13) is | r | = 0. 1969, which is substantially the same as the reflectance coefficient | r | obtained from the equation (8). Therefore, since the transmittance T obtained from this reflectance coefficient is almost the same value, it can be seen that the insertion loss is equivalent to that of the conventional cavity structure.
It can also be seen that by forming a multilayer structure instead of the single cavity 5, the bandpass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0076]
In the first embodiment, the total number of layers is 129, but the desired filter transmission width W _(F) And crosstalk width W _(C) In order to obtain the same, the same effect can be obtained when the optical multilayer filter is configured by appropriately changing the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer). can get.
[0077]
Next, a manufacturing method will be described. In order to form a multilayer film by stacking the above materials, various forming apparatuses and forming methods have been tried. Sputtering (sputtering), in particular, is promising because there is no need to use high-risk gases or toxic gases, and the surface roughness (surface morphology) of the deposited film is relatively good. It is one of the devices and methods. Among them, as an excellent apparatus and method for obtaining a film having a stoichiometric composition in the sputtering method, a reaction gas such as oxygen gas or nitrogen gas is supplied to prevent the loss of oxygen or nitrogen in the film. A promising sputtering apparatus and method is promising.
[0078]
Among reactive sputtering systems and methods, the substrate is irradiated with a plasma flow created using electron cyclotron resonance (ECR) and a divergent magnetic field, and a high frequency or DC voltage is applied between the target and ground. An apparatus / method for depositing a film on a substrate (hereinafter referred to as an ECR sputtering method) has a good film quality by attracting and colliding ions in the plasma flow generated by the ECR with a target to cause a sputtering phenomenon. Most promising as obtained.
The characteristics of the ECR sputtering method are, for example, Onoji, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 23, No. 8, L534, 1984 (Jpn. J. Appl. Phys. 23, no. 8, L534 (1984). ).)It is described in.
[0079]
In general, in the RF magnetron sputtering method, a stable plasma cannot be obtained unless the gas pressure is about 0.1 Pa or higher, whereas in the ECR sputtering method, the gas pressure in the molecular flow region of about 0.01 Pa or lower is obtained. And stable ECR plasma can be obtained.
In addition, since the ECR sputtering method performs sputtering by applying ions generated by ECR to a target at a high frequency or DC voltage, sputtering can be performed at a low pressure.
[0080]
In the ECR sputtering method, the substrate is irradiated with an ECR plasma flow and sputtered particles. The ions of the ECR plasma flow are controlled from 10 eV to several tens of eV energy by the divergent magnetic field. In addition, since the plasma is generated and transported at such a low pressure that the gas behaves as a molecular flow, the ion current density of ions reaching the substrate can be increased. Therefore, the ions in the ECR plasma flow give energy to the raw material particles sputtered and flying to the substrate, and promote the binding reaction between the raw material particles and oxygen or nitrogen, so that the film quality is improved.
[0081]
The ECR sputtering method is particularly characterized in that a high-quality film can be formed on a substrate at a low substrate temperature close to room temperature without external heating. Regarding high-quality thin film deposition by the ECR sputtering method, for example, Amazawa et al., Journal Off Vacuum Science and Technology, Vol. B17, No. 5, p. 2222, 1999 (J. Vac. Sci. Technol. B17, no. 5, 2222 (1999)).
[0082]
Further, the surface morphology of the film deposited by the ECR sputtering method is flat on the atomic scale order. Therefore, the ECR sputtering method is a promising apparatus and method for forming a multilayer film composed of ultrathin films on the order of nanometers.
Furthermore, in the ECR sputtering method, the refractive index of the deposited film can be accurately controlled by controlling the partial pressure of the reactive gas. By utilizing this characteristic, it is possible to form a deposited film adjusted to an arbitrary refractive index, which is difficult with other sputtering methods, and form a multilayer film.
In Embodiment 1, an optical multilayer filter was manufactured using an ECR sputtering apparatus. FIG. 5 shows a schematic diagram of an electron cyclotron resonance (ECR) apparatus.
[0083]
A manufacturing method will be specifically described. First, after the inside of the container is evacuated, a sputtering gas and a reactive gas are introduced into the ECR plasma source to obtain an appropriate gas pressure. Next, after a magnetic field of 0.0875 T is generated in the ECR plasma source by the magnetic coil 9, a microwave having a frequency of 2.45 GHz is introduced into the ECR plasma source through the waveguide and the quartz window 11, and the ECR region 8 is introduced. An electron cyclotron resonance (ECR) plasma is generated.
[0084]
The ECR plasma creates a plasma flow in the direction of the substrate 1 by a divergent magnetic field. The ECR plasma source shown in the first embodiment is one in which the introduced microwave power is once branched and recombined immediately before the plasma source, thereby preventing scattered particles from the target 7 from adhering to the quartz introduction window. The running time can be greatly improved. A ring-shaped circular target 7 is disposed between the ECR plasma source and the substrate 1, and sputtering is performed by applying a high frequency voltage to the target 7, thereby forming a thin film on the substrate 1 attached to the substrate holder 6.
[0085]
Also, a plurality of deposited films having different refractive indexes can be formed as a multilayer film on the substrate 1 by installing a plurality of ECR plasma sources and a plurality of targets and switching them to perform sputtering. For example, in Embodiment 1, a silicon target and a tantalum target are installed in two ECR plasma sources, respectively, and silicon dioxide (SiO 2) is used as the first optical medium layer 2 (L layer). ₂ ) As the second optical medium layer 3 (H layer) tantalum pentoxide (Ta ₂ O _Five ) As the cavity layer 4 with silicon dioxide (SiO 2). ₂ ) Or tantalum pentoxide (Ta ₂ O _Five ) Can be formed to form the optical multilayer filter of the present invention.
[0086]
In an ECR sputtering apparatus, a silicon oxide thin film, a silicon oxynitride thin film, and an alumina thin film are formed using silicon and pure aluminum as a target, oxygen gas and nitrogen gas as reactive gases, and argon as an inert gas. Membrane was performed. Argon is introduced into the ECR plasma source so that plasma can be stably obtained regardless of the amount of the reactive gas supplied.
[0087]
FIG. 6 shows the oxygen flow rate dependence of the refractive indexes of the silicon oxide film, silicon oxynitride, and alumina film formed on the substrate 1 as described above. The argon gas flow rate was 20 sccm, the oxygen gas flow rate was varied between 0 and 8 sccm, the microwave power introduced into the ECR ion source was 500 W, and the high-frequency power applied to the target was 500 W. However, in silicon oxynitride, the total flow rate of oxygen and nitrogen is adjusted to be 10 sccm. Further, the substrate 1 is not heated. The refractive index was measured using an ellipsometer using a 638 nm laser.
[0088]
According to FIG. 6, the refractive indexes of the silicon oxide film, the silicon oxynitride film, and the alumina film decrease as the oxygen flow rate increases, and the refractive index of the silicon dioxide or sapphire substrate that satisfies the stoichiometric composition. I understand that It shows that the refractive index can be controlled while maintaining good film quality by the reactive gas.
Specifically, the refractive index is in the range of 1.47 to 3.8 for the silicon oxide film, in the range of 1.47 to 2.0 for the silicon oxynitride film, and 1.61 for the alumina film. To 4.3 can be controlled.
[0089]
Furthermore, not only a silicon dioxide film including a silicon dioxide film and an alumina film, but also tantalum pentoxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, hafnium dioxide, lanthanum dioxide, selenium dioxide, cerium dioxide, antimony trioxide, three-components that can be formed by ECR sputtering. Oxides such as indium oxide, magnesium oxide, and sodium dioxide, silicon nitride, aluminum nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, lanthanum nitride, and other oxynitrides such as silicon oxynitride, fluorinated magnesium, fluorine Fluorides such as selenium fluoride, cerium trifluoride, calcium difluoride, lithium fluoride, trisodium aluminum hexafluoride, amorphous silicon into which hydrogen was introduced during deposition, or binary alloy oxides, For example, original alloy nitride It is the refractive index control by the refractory gas flow rate (partial pressure).
[0090]
Next, an optical multilayer filter according to Embodiment 2 will be described.
Although the case where the cavity layer 4 is formed of the first optical medium has been described in the first embodiment, the same effect can be obtained when the cavity layer 4 is formed of the second optical medium. As an example, a three-cavity structure with three cavities will be described.
[0091]
The optical multilayer filter according to Embodiment 2 has a conventional cavity structure having a three-cavity structure with three cavities, in other words, a second optical medium layer 3 (H layer) composed of a second optical medium and a first cavity structure. In the structure in which three single cavities 5 are laminated while maintaining the regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) made of one optical medium, it is formed last in contact with air. When the optical medium layer (referred to as a surface layer) is the second optical medium layer 3 (H layer), the second optical medium layer 3 (H layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) ) (The first optical medium layer 2 (L layer) in contact with the second optical medium layer 3 (H layer)) is different in the number of layers. In other words, in a one-cavity structure having a surface layer on the air side (a surface layer on the opposite side of the substrate 1), the laminated body having the surface layer is the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3. The number of layers is only two.
[0092]
Specifically, as shown in FIG. 7, for example, 20 layers of second optical medium layers 3 (H layers) and first optical medium layers 2 (L layers) are alternately laminated on a transparent substrate 1. The cavity layer 4 (2H layer) is formed thereon. The first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are alternately laminated, for example, 43 layers thereon, and the cavity layer 4 (2H layer) is formed thereon. Yes. The first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are alternately laminated, for example, 43 layers thereon, and the cavity layer 4 (2H layer) is formed thereon. Yes. On that layer, for example, 18 layers of first optical medium layer 2 (L layer) and second optical medium layer 3 (H layer) are alternately laminated. Therefore, it is a multilayer film having 127 layers as a whole.
[0093]
The structure is characterized by having three cavity layers 4, but it is not simply a structure in which three single cavities 5 are stacked, but two single cavities 5 are sequentially formed on one main surface of the substrate 1. To form a cavity structure, and a second laminated body in which the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3 are alternately laminated is formed on the cavity structure, and this second laminated body is formed. A cavity layer is formed on the cavity layer, and a third laminate having a first optical medium layer and a second optical medium layer and having a different number of layers from the second laminate is formed on the cavity layer. . In other words, in the single cavity 5, a structure that is asymmetric with respect to the cavity layer 4 (2H layer) is formed. Hereinafter, a structure in which the second stacked body, the cavity layer, and the third stacked body are sequentially stacked is referred to as a multilayer film structure.
[0094]
The substrate 1 is a transparent substrate having a refractive index of 1.47, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2 having a refractive index of 1.48. ₂ ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) ₂ O _Five ) Is used. Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the cavity layer 4 (2H layer) ₂ O _Five ) Is used.
Each optical film thickness is the design wavelength (hereinafter referred to as the design wavelength) as a bandpass filter. ₀ = 1550 nm, the optical film thicknesses of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are respectively equal to the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The film thickness is formed to be an integral multiple of / 4. The cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The film thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
Specifically, the first optical medium layer 2 (L layer) is 261.82 nm, and the second optical medium layer 3 (H layer) is 181.07 nm. The cavity layer 4 (2H layer) is 362.14 nm.
[0095]
In the optical multilayer filter having a structure having three cavity layers shown in FIG. ₀ Consider the case of β = π / 2 corresponding to. Design wavelength λ. The characteristic matrix M in FIG. 4 becomes the equation (11), and the reflectance coefficient | r | becomes the equation (13).
[0096]
FIG. 8 shows filter transmission characteristics when a multilayer structure is formed instead of the single cavity 5 as in the optical multilayer filter shown in FIG. For comparison with a conventional cavity structure, filter transmission characteristics of a conventional three-cavity structure that is not replaced with a multilayer film structure are also shown. In the conventional three-cavity structure, the ripple strength is about 0.6 dB. On the other hand, when a multilayer structure is formed instead of the single cavity 5, the design wavelength λ ₀ It can be seen that there is no drop in transmittance at a portion deviated from = 1550 nm, and the ripple strength is greatly improved to 0.2 dB.
Design wavelength λ ₀ It can be seen that the transmittance at 1550 nm is improved.
[0097]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. ₀ (8).
On the other hand, in the structure shown in Embodiment 2, the equation (13) is obtained. When the refractive indexes of the quartz substrate 1, the second optical medium layer 3 (H layer), and the first optical medium layer 2 (L layer) are substituted, the reflectance coefficient | r | The value is smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from (8). Therefore, since the transmittance T obtained from this reflectance coefficient is larger in the structure shown in the second embodiment than in the conventional structure, the insertion loss of the structure shown in the second embodiment is larger than that in the conventional structure. Decrease.
It can also be seen that by forming a multilayer structure instead of the single cavity 5, the bandpass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0098]
In the second embodiment, the total number of layers is 127, but the desired filter transmission width W _(F) And crosstalk width W _(C) In order to obtain the same, the same effect can be obtained when the optical multilayer filter is configured by appropriately changing the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer). can get.
[0099]
Further, in the manufacturing method, similarly to the first embodiment, the ECR sputtering apparatus is used to install the silicon target and the tantalum target in the two ECR plasma sources, respectively, and the first optical medium layer 2 (L layer). ) And silicon tantalum pentoxide as the second optical medium layer 3 (H layer).
Also in the second embodiment, as shown in FIG. 6, since the refractive index can be changed by changing the oxygen flow rate, the filter characteristics can be adjusted. In the ECR sputtering apparatus, the optimum filter characteristics can be obtained by selecting the optimum refractive index by controlling the refractive index by selecting the target material and the flow rate (amount) of the reactive gas.
[0100]
Next, an optical multilayer filter according to Embodiment 3 will be described.
In the above embodiments, the three-cavity structure has been described as an example and compared with the conventional three-cavity structure, but the same effect can be obtained with a multi-cavity structure beyond this. As an example, a 5-cavity structure with 5 cavities will be described.
[0101]
The optical multilayer filter according to Embodiment 3 includes a conventional cavity structure having a five-cavity structure with five cavities, a second optical medium layer 3 (H layer) composed of a second optical medium, and a first optical medium. An optical medium layer formed last in contact with air in a structure in which five single cavities 5 are stacked while maintaining the regularity of alternately stacking first optical medium layers 2 (L layers) made of a medium. When the (surface layer) is the second optical medium layer 3 (H layer), the second optical medium layer 3 (H layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are below. (The first optical medium layer 2 (L layer) in contact with the second optical medium layer 3 (H layer)). In other words, in a one-cavity structure having a surface layer on the air side (a surface layer on the opposite side of the substrate 1), the laminated body having the surface layer is the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3. The number of layers is only two. The cavity layer 4 is formed of, for example, a first optical medium.
[0102]
As shown in FIG. 9, the specific structure is such that, for example, 21 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated on the transparent substrate 1. A cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. The second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer), for example, 43 layers are alternately laminated thereon, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Yes. The second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer), for example, 45 layers are alternately laminated thereon, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Yes. The second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer), for example, 45 layers are alternately laminated thereon, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Yes. The second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer), for example, 43 layers are alternately laminated thereon, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Yes. Further thereon, for example, 19 layers of second optical medium layers 3 (H layers) and first optical medium layers 2 (L layers) are alternately laminated. Therefore, it is a multilayer film of 221 layers as a whole.
[0103]
The structure is characterized by having five cavity layers 4, but not by simply stacking five single cavities 5, but by sequentially forming four single cavities 5 on one main surface of the substrate 1. To form a cavity structure, and a second laminated body in which the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3 are alternately laminated is formed on the cavity structure, and this second laminated body is formed. A cavity layer is formed on the cavity layer, and a third stacked body that includes the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3 and has a different number of layers from the second stacked body is formed on the cavity layer. Is a point. In this case, the number of layers of the first optical medium layer 2 and the second optical medium layer 3 constituting the third stacked body is different from that of the third stacked body. In other words, in the single cavity 5, a structure that is asymmetric with respect to the cavity layer 4 (2L layer) is formed. Hereinafter, a structure in which the second stacked body, the cavity layer, and the third stacked body are sequentially stacked is referred to as a multilayer film structure.
[0104]
The substrate 1 is a transparent substrate having a refractive index of 1.47, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2 having a refractive index of 1.48. ₂ ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) ₂ O _Five ) Is used. Silicon dioxide (SiO2) having a refractive index of 1.48 as cavity layer 4 (2H layer) ₂ ) Is used.
[0105]
Each optical film thickness is the design wavelength (hereinafter referred to as the design wavelength) as a bandpass filter. ₀ = 1550 nm, the optical film thicknesses of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are respectively equal to the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The film thickness is formed to be an integral multiple of / 4. The cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The film thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
Specifically, the first optical medium layer 2 (L layer) is 261.82 nm, and the second optical medium layer 3 (H layer) is 181.07 nm. The cavity layer 4 (2L layer) is 523.64 nm.
[0106]
In the optical multilayer filter having a structure having five cavity layers shown in FIG. ₀ Consider the case of β = π / 2 corresponding to. Design wavelength λ. The characteristic matrix M in the equation (12) becomes the equation (12), and the reflectance coefficient | r | becomes the equation (13).
[0107]
FIG. 10 shows filter transmission characteristics when a multilayer structure is formed instead of the single cavity 5 as in the optical multilayer filter shown in FIG. For comparison with a conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of a conventional five-cavity structure that is not replaced with a multilayer structure are also shown. The conventional 5-cavity structure has a ripple strength of 1 dB. On the other hand, in the case where a multilayer film structure is formed instead of the single cavity 5, the design wavelength λ ₀ It can be seen that there is no drop in transmittance at a portion deviated from = 1550 nm, and the ripple strength is greatly improved to 0.2 dB.
Design wavelength λ ₀ It can be seen that the transmittance at 1550 nm is improved.
[0108]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. ₀ (8).
On the other hand, in the structure shown in Embodiment 3, the equation (13) is obtained. When the refractive indexes of the quartz substrate 1, the second optical medium layer 3 (H layer), and the first optical medium layer 2 (L layer) are substituted, the reflectance coefficient | r | The value is smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from (8). Therefore, the transmittance T obtained from this reflectance coefficient is larger in the structure shown in the third embodiment than in the conventional structure, and therefore the insertion loss of the structure shown in the third embodiment is reduced as compared with the conventional structure. To do.
It can also be seen that by forming a multilayer structure instead of the single cavity 5, the bandpass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0109]
In Embodiment 3, the total number of layers is 221 layers, but the desired filter transmission width W _(F) And crosstalk width W _(C) In order to obtain the same, the same effect can be obtained when the optical multilayer filter is configured by appropriately changing the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer). can get.
[0110]
Furthermore, in Embodiment 3, the cavity layer 4 is composed of the first optical medium, but the same effect can be obtained when it is composed of the second optical medium.
In this case, in order to maintain the regularity of alternately laminating the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer), the first optical medium layer 2 (L Layer) and the number of layers of the second optical medium layer 3 (H layer) must be changed.
[0111]
Further, in the manufacturing method, similarly to the first embodiment, the ECR sputtering apparatus is used to install the silicon target and the tantalum target in the three ECR plasma sources, respectively, and the first optical medium layer 2 (L layer). ) And silicon tantalum pentoxide as the second optical medium layer 3 (H layer).
Also in the third embodiment, as shown in FIG. 6, since the refractive index can be changed by changing the oxygen flow rate, the filter characteristics can be adjusted. In the ECR sputtering apparatus, the optimum filter characteristics can be obtained by selecting the optimum refractive index by controlling the refractive index by selecting the target material and the flow rate (amount) of the reactive gas.
[0112]
【The invention's effect】
According to the present invention, the design wavelength λ ₀ A second laminated body in which the first optical medium layer and the second optical medium layer are alternately laminated on the conventional cavity structure of the formula (7) or the formula (10) is formed in the characteristic matrix (M) in FIG. Then, a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium is formed on the second laminated body, and the first optical medium layer and the second optical medium layer are formed on the cavity layer. By forming a third stacked body in which layers are alternately stacked, the first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix (M) are (n _H / N _L ), First row and second column are 0, second row and first column are 0, second row and second column are (n _L / N _H ) Or the first row and the first column (-n _H / N _L ), The first row and second column are 0, the second row and first column are 0, the second row and second column are (-n _L / N _H N) in the reflectance coefficient | r | _H / N _L Can be about 1.2, the transmittance can be increased, and the input loss can be suppressed.
[0113]
Further, by adjusting the shape of the filter characteristics, reducing the ripple, and improving the transmittance at the design wavelength, it is possible to obtain an optical multilayer filter having a bandpass characteristic that can be adapted to optical communication.
Furthermore, the same filter characteristics can be obtained with a smaller number of layers than the conventional cavity structure, which is economically effective.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a relationship between a refractive index and a transmittance of a substrate.
FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between a refractive index ratio and a transmittance of an optical medium layer.
3 is a diagram for explaining the structure of an optical multilayer filter according to Embodiment 1. FIG.
4 is a diagram for explaining filter characteristics of the optical multilayer filter according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a schematic view for explaining an electron cyclotron resonance (ECR) apparatus.
FIG. 6 is a diagram showing characteristics of a film manufactured using an electron cyclotron resonance (ECR) apparatus.
7 is a diagram for explaining the structure of an optical multilayer filter according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining filter characteristics of the optical multilayer filter according to the second embodiment.
9 is a diagram for explaining the structure of an optical multilayer filter according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 10 is a diagram for explaining filter characteristics of the optical multilayer filter according to the third embodiment.
FIG. 11 is a diagram for explaining the principle of an optical multilayer filter.
FIG. 12 is a diagram for explaining an optical multilayer filter.
FIG. 13 is a diagram for explaining performance in filter characteristics of an optical multilayer filter.
FIG. 14 is a diagram for explaining the structure of an optical multilayer filter.
FIG. 15 is a diagram showing transmission characteristics of an optical multilayer filter.
FIG. 16 is a view for explaining the structure of an optical multilayer filter having a multi-cavity structure.
FIG. 17 is a diagram for explaining the transmission characteristics of a conventional two-cavity optical multilayer filter.
FIG. 18 is a diagram for explaining transmission characteristics of a conventional three-cavity optical multilayer filter.
FIG. 19 is a diagram for explaining transmission characteristics of a conventional 4-cavity and 5-cavity optical multilayer filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... First optical medium layer, 3 ... Second optical medium layer, 4 ... Cavity layer, 5 ... Single cavity (1 cavity), 6 ... Substrate holder, 7 ... Target, 8 ... ECR region, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Magnetic coil, 10 ... High frequency electric power, 11 ... Quartz window, 12 ... Optical medium film | membrane, 13 ... 1st optical medium film | membrane, 14 ... 2nd optical medium film | membrane, 15 ... K-2th optical medium film | membrane, 16 ... k-1 optical medium film, 17 ... kth optical medium film.

Claims (3)

A plurality of first optical medium layers in which first optical medium layers made of a first optical medium and second optical medium layers made of a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium are alternately stacked. The first row of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength as a bandpass filter has a cavity structure in which the laminates are connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium. A cavity structure in which one column is 1, first row and second column are 0, second row and first column are 0, and second row and second column are 1,
A second stacked body that is stacked on the cavity structure and alternately stacks the first optical medium layer and the second optical medium layer;
A cavity layer formed on the second stacked body and made of the first optical medium or the second optical medium;
A third stacked body that is stacked on the cavity layer and alternately stacks the first optical medium layer and the second optical medium layer;
Have
When the refractive index of the first optical medium is n _L and the refractive index of the second optical medium is n _H , the cavity structure, the second stacked body, the cavity layer, and the third layer The first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength as the bandpass filter of the optical multilayer filter composed of the laminated body are (n _H / n _L ), the first row and the second column are 0, the second Row 1st column is 0, 2nd row 2nd column is (n _L / n _H ), or 1st row 1st column is (−n _H / n _L ), 1st row 2nd column is 0, 1st row 2 row and first column is 0, Ri second row and second column is (-n _L / n _H) der,
3. The optical multilayer filter according to claim 3, wherein the third laminate has one layer each of the first optical medium layer and the second optical medium layer, and the number of layers is smaller than that of the second laminate . A plurality of first optical medium layers in which first optical medium layers made of a first optical medium and second optical medium layers made of a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium are alternately stacked. The first row of the matrix components of the characteristic matrix at the design wavelength as a bandpass filter has a cavity structure in which the laminates are connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium. A cavity structure in which one column is -1, the first row and second column is 0, the second row and first column is 0, and the second row and second column are -1,
A second stacked body that is stacked on the cavity structure and alternately stacks the first optical medium layer and the second optical medium layer;
A cavity layer formed on the second stacked body and made of the first optical medium or the second optical medium;
A third stacked body that is stacked on the cavity layer and alternately stacks the first optical medium layer and the second optical medium layer;
Have
When the refractive index of the first optical medium is n _L and the refractive index of the second optical medium is n _H , the cavity structure, the second stacked body, the cavity layer, and the third layer The first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength as the bandpass filter of the optical multilayer filter composed of the laminated body are (n _H / n _L ), the first row and the second column are 0, the second Row 1st column is 0, 2nd row 2nd column is (n _L / n _H ), or 1st row 1st column is (−n _H / n _L ), 1st row 2nd column is 0, 1st row 2 row and first column is 0, Ri second row and second column is (-n _L / n _H) der,
3. The optical multilayer filter according to claim 3, wherein the third laminate has one layer each of the first optical medium layer and the second optical medium layer, and the number of layers is smaller than that of the second laminate . The optical multilayer filter according to claim 1 or 2,
The first optical medium layer and the second optical medium layer are formed so as to have an optical film thickness that is an integral multiple of λ / 4 with respect to the design wavelength λ. ,
An optical multilayer filter , wherein the cavity layer is formed with a film thickness such that an optical film thickness of the cavity layer is an integral multiple of λ / 2 with respect to the design wavelength λ .

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