JP3993480B2 - 光学多層膜フィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置や光学デバイス等に使用される光学多層膜フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学多層膜フィルタは、光学的な屈折率の異なる光学媒質膜、例えば誘電体膜を交互に積み重ねて形成され、境界面での反射光の干渉を利用して所定の光学特性を得るものである。現在、単層膜では得られない所望の光学特性を得るために、眼鏡などのガラス上およびプラスチック上への無反射コーティング、ビデオカメラの色分解プリズム、バンドパスフィルタなどの各種光学フィルタ、発光レーザの端面コーティング等に使用されている。
また、最近の状況として広帯域光波長多重（高密度波長分割多重（Dense Wavelength Division Multiplexing :DWDM）通信に用いる合波フィルタや分波フィルタ、さらに、短距離間に用いられるイーサネット（登録商標）通信において１０Ｇｂｐｓ級の広光波長多重（Wide Wavelength Division Multiplexing : WWDM）通信（ＩＥＥＥ８０２．３規格）に応用される。
【０００３】
光学フィルタの設計について、図９から図１２を参照して説明する。
図９に示すように、屈折率ｎ_sの基板１上に、屈折率ｎ₁の透明な光学媒質膜１２を膜厚ｄ₁で形成した単層膜フィルタにおいて、光学媒質膜１２に光が入射した場合の特性マトリックス（Ｍ）は、式（１）のように定義される。但し、入射光の波長をλ、入射角は入射面の法線に対しθ、β＝２π・ｎ₁・ｄ₁・ｃｏｓ（θ）／λと定義する。また、ｉは虚数単位を示し、ｍ₁₁、ｍ₁₂、ｍ₂₁、ｍ₂₂は、特性マトリックス（Ｍ）の行列成分であり、ｍ₁₁＝ｍ₂₂＝ｃｏｓ（β）、ｍ₁₂＝ｉ・１／ξ・ｓｉｎ（β）、ｍ₂₁＝ｉ・ξ・ｓｉｎ（β）である。
【０００４】
【数１】

【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１０に示すような光学多層膜の場合を考察する。図１０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、全体の特性マトリックス（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１１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１１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１２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１２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１２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５２３．６４ｎｍである。
また、図１２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１２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１２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１３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１１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１４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１４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１５は、図１４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１５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１６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１７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形成され、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形成され、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０、第１行第２列がｉ（１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（ｎ_L）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ（−１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（−ｎ_L）、第２行第２列が０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形成され、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形成され、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０、第１行第２列がｉ（１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（ｎ_L）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ（−１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（−ｎ_L）、第２行第２列が０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、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の光学媒質層の１層、層数が少ないことを特徴とする。
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。
【００４９】
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λ₀に対して、λ₀／４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λ₀に対して、λ₀／２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。
【００５０】
【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。
【００５１】
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。
【００５２】
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との関係を示したものである。
【００５３】
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。
【００５４】
しかし、光学基板は、屈折率ｎ_sが１．４７である石英基板や、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２の屈折率をｎ_L、第２の光学媒質層３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２が形成される。
【００５５】
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。
【００５６】
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一対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。
【００５７】
具体的には、少なくとも２個の第１の積層体を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または−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または−１である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。この場合、第２の積層体および第３の積層体を構成する第１の光学媒質層の層数が異なるように形成する。
ここで、第１の積層体とは、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多層膜である。
【００５８】
言い換えれば、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、表面層を第２の光学媒質層とし、空気側の表面層（基板の反対側の表面層）を有する積層体の層数を１層少なくすることにより、両端の層が第１の光学媒質により形成されているシングルキャビティにおいて、片側の第１の光学媒質層を除いた構造とする。ここで、一方の積層体に含まれ、もう一方の積層体に含まれない光学媒質層を異なる光学媒質層と呼ぶ。
【００５９】
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である。
【００６０】
【数７】

【００６１】
図２に、透過率Ｔと空気側の表面層（基板の反対側の表面層）を有する１キャビティ構造を構成する一対の積層体における異なる光学媒質層の屈折率ｎ_L（ここでは、第１の光学媒質層の屈折率）との関係を示す。透過率Ｔは式（５）より計算した。
図２より、異なる屈折率ｎ_sを有するどの基板においても、透過率Ｔが０ｄＢとなる第１の光学媒質層の屈折率ｎ_Lが存在することがわかる。
また、基板の屈折率ｎ_sが大きくなると、透過率Ｔが０ｄＢとなる第１の光学媒質層の屈折率ｎ_Lも大きくなることがわかる。
例えば、基板の屈折率ｎ_sが１．４７の場合には第１の光学媒質層の屈折率ｎ_Lが１．２程度で０ｄＢとなるが、基板の屈折率ｎ_sが２．３７の場合には１．５４、基板の屈折率ｎ_sが３．２０の場合には１．７９程度と、基板の屈折率ｎ_sが大きくなるにしたがって透過率Ｔが０ｄＢとなる第１の光学媒質層の屈折率ｎ_Lも大きくなる。
【００６２】
例えば、屈折率が１．４７の石英基板上に、第１の光学媒質層（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いて、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）により表されるキャビティ構造と、キャビティ層に対する対称性が崩れ、空気側の表面層が第２の光学媒質層により形成され、かつ空気側の表面層を有する積層体の方が１層だけ層数が少なくなるように形成した構造とを積層した場合、図２より、透過率Ｔは０．１ｄＢ程度となることがわかる。
また、基板として屈折率が２．３７である硫化亜鉛を用い、同様の構造を作成した場合には、透過率が０．０５ｄＢとなり特性がさらに改善される。
また、基板として屈折率が３．２であるシリコンを用い、同様の構造を作成した場合には、透過率が０．１ｄＢ程度となる。
【００６３】
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、空気側の表面層を含む１キャビティにおいては、空気側の表面層を第２の光学媒質層により形成し、かつ空気側の表面層を有する積層体の方を１層だけ層数が少なくなるように形成することにより、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、使用する基板に応じて、透過率Ｔを向上させるために最適となる第１の光学媒質層を選択でき、入力損失を抑えることができる。結果として、空気側の表面層を含む１キャビティにおいては、キャビティ層に対する対称性が崩れる。
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。
【００６４】
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、基板１として、屈折率が１．４７である透明基板１を用い、キャビティ数が４の４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、４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）を有する１キャビティ構造においては、両端の層を構成する光学媒質を異なるようにし、かつ空気側の表面層を有する積層体の方を１層だけ層数が少なくなるように形成した構造である。例えば、表面層を第２の光学媒質により形成する。
この光学多層膜フィルタにおいては、空気側の表面層を有する１キャビティ構造は、キャビティ層に対する対称性が崩れた構造となる。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。
【００６５】
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。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１７５層の多層膜である。
【００６６】
構造の特徴としては、キャビティ層４を４個有する構造であるが、単純にシングルキャビティ５を４個積層した構造ではなく、基板１の一主面に３個のシングルキャビティ５を順次形成する（キャビティ構造体と呼ぶ）。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４を形成し、このキャビティ層４上に第１の光学媒質層の層数が第２の積層体とは異なるように第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。
【００６７】
例えば、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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
図３に示すキャビティ層を４個有する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。
【００７１】
図４は、図３に示した光学多層膜フィルタのようにキャビティ構造体上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、多層膜構造体の代わりに１キャビティ構造を形成した従来の４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４キャビティ構造では、リップル強度が１．５ｄＢ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０ｄＢと大きく改善することがわかる。
【００７２】
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１、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、式（８）から求められる反射率係数は｜ｒ｜＝０．１９０３、式（１３）から求められる反射率係数は｜ｒ｜＝０．１９６８となり、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。
【００７３】
実施の形態１では、全層の数が１７５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。
【００７４】
実施の形態１においては、第１の光学媒質によりキャビティ層を形成した場合について説明したが、第２の光学媒質により形成してもよい。
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ち、所望の特性を得るために、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）の層数を変化させる必要がある。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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よ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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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２に係る光学多層膜フィルタは、基板１として、屈折率が２．３７の高屈折率基板である硫化亜鉛（ＺｎＳ）を用い、キャビティ数が４の４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、４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）を有する１キャビティ構造においては、両端の層を構成する光学媒質を異なるようにし、かつ空気側の表面層を有する積層体の方を１層だけ層数が少なくなるように形成した構造である。例えば、表面層を第２の光学媒質により形成する。
この光学多層膜フィルタにおいては、空気側の表面層を有する１キャビティ構造は、キャビティ層に対する対称性が崩れた構造となる。キャビティ層４は第１の光学媒質により形成した。
【００８９】
構造の特徴としては、キャビティ層４を４個有する構造であるが、単純にシングルキャビティ５を４個積層した構造ではなく、基板１の一主面に３個のシングルキャビティ５を順次形成する（キャビティ構造体と呼ぶ）。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４を形成し、このキャビティ層４上に第１の光学媒質層２の層数が第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。
【００９０】
例えば、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）、キャビティ層４（２Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用い、図３に示したような光学多層膜フィルタの作製を行った。この場合、基板１に高屈折率基板を用いたため、基板１の上には第１の光学媒質層２（Ｌ層）を形成する。
【００９１】
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。
【００９２】
図７は、基板１として屈折率が２．３７である硫化亜鉛（ＺｎＳ）を用い、キャビティ構造体上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、従来の４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４キャビティ構造では、リップル強度が０．８ｄＢ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における透過率が向上し、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍ部分における透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度が０ｄＢと大きく改善することがわかる。
【００９３】
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）となる。
石英基板１、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｜＝０．０３９４となり、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さな値となる。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に示した構造の挿入損失は、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７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。
【００９４】
また、この場合においても、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。
【００９５】
実施の形態２においては、第１の光学媒質によりキャビティ層を形成した場合について説明したが、第２の光学媒質により形成してもよい。
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ち、所望の特性を得るために、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）の層数を変化させる必要がある。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
実施の形態３に係る光学多層膜フィルタは、基板１として、屈折率が３．２の高屈折率基板であるシリコン（Ｓｉ）を用い、キャビティ数が４の４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、４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）を有する１キャビティ構造においては、両端の層を構成する光学媒質を異なるようにし、かつ空気側の表面層を有する積層体の方を１層だけ層数が少なくなるように形成した構造である。例えば、表面層を第２の光学媒質により形成する。
この光学多層膜フィルタにおいては、空気側の表面層を有する１キャビティ構造は、キャビティ層に対する対称性が崩れた構造となる。キャビティ層４は第１の光学媒質により形成した。
【００９８】
構造の特徴としては、キャビティ層４を４個有する構造であるが、単純にシングルキャビティ５を４個積層した構造ではなく、基板１の一主面に３個のシングルキャビティ５を順次形成する（キャビティ構造体と呼ぶ）。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４を形成し、このキャビティ層上に、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３の積層体を形成する。この場合、第２の積層体および第３の積層体を構成する第１の光学媒質層２の層数が異なるように形成する。
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。
【００９９】
例えば、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）、キャビティ層４（２Ｌ層）として屈折率が１．４８である二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用い、図３に示したような光学多層膜フィルタの作製を行った。この場合、基板１に高屈折率基板を用いたため、基板１の上には第１の光学媒質層２（Ｌ層）を形成する
【０１００】
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。
【０１０１】
図８は、基板１に屈折率が３．２０であるシリコン（Ｓｉ）を用い、キャビティ構造体上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、キャビティ構造体上に多層膜構造体を形成した従来の４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４キャビティ構造では、リップル強度が１．５ｄＢ程度もある。これに対して、多層膜構造体を配置したものは、設計波長λ₀＝１５５０ｎｍにおける透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も０ｄＢと大きく改善することがわかる。
【０１０２】
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）となる。
石英基板１、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｜＝０．１８７３となり、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも若干小さな値となる。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に示した構造の挿入損失は、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。
【０１０３】
また、この場合においても、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。
【０１０４】
実施の形態３においては、第１の光学媒質によりキャビティ層を形成した場合について説明したが、第２の光学媒質により形成してもよい。
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ち、所望の特性を得るために、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）の層数を変化させる必要がある。
【０１０５】
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。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、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）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、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）を有する１キャビティ構造においては、両端の層を構成する光学媒質を異なるようにし、かつ空気側の表面層を有する積層体の方を１層だけ層数が少なくなるように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０、第１行第２列をｉ（１／ｎ_L）、第２行第１列をｉ（ｎ_L）、第２行第２列を０、または、第１行第１列を０、第１行第２列をｉ（−１／ｎ_L）、第２行第１列をｉ（−ｎ_L）、第２行第２列を０とできるため、使用する基板に応じて、透過率Ｔを向上させるために最適となる第１の光学媒質層２を選択できるため、入力損失を抑えることができる。
【０１０７】
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に係る他の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８】 実施の形態３に係る他の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】 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１０】 光学多層膜フィルタを説明するための図である。
【図１１】 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１２】 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１３】 光学多層膜フィルタの透過特性を示す図である。
【図１４】 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１５】 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１６】 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１７】 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。

Claims (3)

1. 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、前記第１の光学媒質または前記第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形成され、前記第１の光学媒質層と前記第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、前記第１の光学媒質または前記第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形成され、前記第１の光学媒質層と前記第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、
   前記第１の光学媒質の屈折率をｎ_Lとした場合に、前記キャビティ構造体と前記第２の積層体と前記キャビティ層と前記第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０、第１行第２列がｉ（１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（ｎ_L）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ（−１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（−ｎ_L）、第２行第２列が０であり、
   前記第３の積層体は、前記第２の積層体より、前記第１の光学媒質層の１層、層数が少ない
   ことを特徴とする光学多層膜フィルタ。
2. 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、前記第１の光学媒質または前記第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形成され、前記第１の光学媒質層と前記第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、前記第１の光学媒質または前記第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形成され、前記第１の光学媒質層と前記第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、
   前記第１の光学媒質の屈折率をｎ_Lとした場合に、前記キャビティ構造体と前記第２の積層体と前記キャビティ層と前記第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０、第１行第２列がｉ（１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（ｎ_L）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ（−１／ｎ_L）、第２行第１列がｉ（−ｎ_L）、第２行第２列が０であり、
   前記第３の積層体は、前記第２の積層体より、前記第１の光学媒質層の１層、層数が少ない
   ことを特徴とする光学多層膜フィルタ。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学多層膜フィルタにおいて、
   前記第１の光学媒質層と、前記第２の光学媒質層とを、これらの光学膜厚がそれぞれ、前記設計波長λ ₀ に対して、λ ₀ ／４の整数倍になるような膜厚で形成し、
   前記キャビティ層を、この前記キャビティ層の光学膜厚が、前記設計波長λ ₀ に対して、λ ₀ ／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光学多層膜フィルタ。

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