JP3993481B2 - 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４（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少なくとも１つの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λ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の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層とを有し、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付加層とからなる光学多層膜フィルタの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_H）、第２行第１列がｉ・（ｎ_H）、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_H）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_H）、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、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を有する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λ₀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異なる層数を有する複数の積層体を、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少なくとも１つの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λ₀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の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層とを有し、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付加層とからなる光学多層膜フィルタの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_H）、第２行第１列がｉ・（ｎ_H）、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_H）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_H）、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の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λ₀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、付加層は、第２の光学媒質からなることを特徴とする。
本発明によれば、従来のキャビティ構造を有する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λ₀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】
さらに、光学多層膜フィルタは、第１の光学媒質および第２の光学媒質よりも高い屈折率を有する基板上に形成され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では、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と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、入力損失の増大を防止するためには、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の石英基板や、基板の屈折率ｎ_sが１．４８から１．５０程度のガラス基板が一般的である。最近では、新たな光デバイス開発の高まりから高屈折率基板の要求が大きくなってきている。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、キャビティ構造上に付加する光学媒質層の屈折率をｎ_xとして考えると、このフィルタ構造での透過率Ｔと付加した光学媒質層の屈折率ｎ_xとの関係は図２に示す通りとなる。ここでは、基板として、屈折率ｎ_sが１．４７である石英基板と、屈折率ｎ_sが３．２であるシリコン基板を用い、透過率Ｔは式（５）より計算した。図２より、高屈折率基板を用いることにより、透過率Ｔが０となるｎ_xが高屈折側にシフトすることがわかる。したがって、所定の透過率を維持しながら、低屈折率基板を用いた場合に形成される多層膜に用いられた光学媒質とは異なる光学媒質を用いて多層膜を形成できるため、従来とは異なる特性を持つ光デバイスを作製することができる。
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において空気側の表面層（基板の反対側の表面層）上に、付加層として、例えば第２の光学媒質層（Ｈ層）を配置することによって、入力損失の増大を防止することができることを見いだした。
【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_Hは第２の光学媒質層の屈折率である。
【００５９】
【数７】

【００６０】
設計波長λ₀における特性マトリックスが式（１１）または式（１２）で示される光学多層膜フィルタにおいて、空気と接する表面層上に、屈折率がｎ_xである第３の光学媒質からなる第３の光学媒質層（Ｘ層）を配置した場合の設計波長λ₀における特性マトリックスは、式（１１）に対して式（１４）、式（１２）に対して式（１５）と表すことができる。また、反射率は式（１６）となる。
【００６１】
【数８】

【００６２】
屈折率が３．２である高屈折率基板として用いられるシリコンを基板として用いた場合、式（１６）から求められる第３の光学媒質層（Ｘ層）の屈折率ｎ_xと、透過率Ｔとの関係は、図２より、第３の光学媒質の屈折率ｎ_xが１．７９程度で０ｄＢとなるが、第３の光学媒質の屈折率ｎ_xが１．７９から離れるほど小さくなることがわかる。
【００６３】
例えば、屈折率が３．２であるシリコン基板上に、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、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を形成し、このキャビティ構造の表面層上に、付加層として、例えば、第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層（Ｈ層）を形成した場合を考える。図２を参照すると、透過率Ｔは−０．１ｄＢ程度になることがわかる。
【００６４】
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空気側の表面層（基板の反対側の表面層）上に付加層として、例えば、第２の光学媒質層（Ｈ層）を配置することにより、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付加層を選択でき、入力損失の増大を防止することができる。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、付加層を配置するという容易な手段によって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を大きく増すことが期待できる。
【００６５】
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個積層した構造において、空気と接している最後に形成された光学媒質層（表面層と呼ぶ）上に、付加層１８として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成した構造である。言い換えれば、空気側の表面層（基板の反対側の表面層）を第２の光学媒質により、その膜厚を他の第２の光学媒質層３の２倍となるように形成した構造である。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。
【００６６】
具体的な構造は、図３に示すように、シリコン基板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層積層されており、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層積層されており、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層積層されており、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２１層積層されている。この２１層積層した時点での表面層は、第２の光学媒質層３（Ｈ層）である。この上に、例えば、第２の光学媒質層３を付加層１８として形成する。この構造においては、表面層と付加層１８とがともに第２の光学媒質層３により形成されるため、作製する場合には、例えば成膜時間を２倍にすることにより、他の第２の光学媒質層３（Ｈ層）の２倍の膜厚で形成する。したがって、最後に形成した第２の光学媒質３（Ｈ層）を２層として計算すると、全体で１３２層の多層膜となる。
【００６７】
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。
【００６８】
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３個のシングルキャビティ５を順次形成し（キャビティ構造体と呼ぶ）、このキャビティ構造体上に、第２光学媒質層２からなる付加層１８を形成する点である。言い換えれば、基板１の一主面に２個のシングルキャビティ５を順次形成し、その上に、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。
キャビティ層４は、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を２層連続して形成した２Ｌ層である。また、表面層上へ付加層１８として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を配置したことにより、結果的に第２の光学媒質層３（Ｈ層）を２層連続して形成した２Ｈ層が形成され、２Ｌ層と２Ｈ層とが混在する。この場合の２Ｈ層は、キャビティ層４（２Ｌ層）とは役割が全く異なる。
【００６９】
基板１としては、屈折率３．２のシリコン基板、第１の光学媒質層２（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３（Ｈ層）および付加層１８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。
【００７０】
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）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、および付加層１８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）および付加層１８は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、５２３．６４ｎｍである。
【００７１】
図３に示す３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。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。
【００７２】
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の表面層上に、付加層１８として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を配置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、設計波長での挿入損失が−１．５ｄＢ程度となる。これに対して、付加層１８として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を表面層上に配置したものは、設計波長での挿入損失が−０．２ｄＢ程度と大きく改善する。
【００７３】
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。
シリコン基板１、第２の光学媒質層３（Ｈ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｜＝０．５２３８、式（１３）から求められる反射率係数は｜ｒ｜＝０．１７７３となり、式（１３）から求められる反射率係数は式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さくなる。
また、付加層１８を配置することによって、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。
【００７４】
実施の形態１では、全層の数が１３２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。
【００７５】
さらに、実施の形態１においては、キャビティ層４を第１の光学媒質により形成した場合について説明したが、キャビティ層４を第２の光学媒質により構成した場合にも有効である。
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。
【００７６】
また、実施の形態１においては、付加層として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成した場合について説明したが、キャビティ構造体と付加層とからなる光学多層膜フィルタの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_H）、第２行第１列がｉ・（ｎ_H）、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_H）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_H）、第２行第２列が０となれば、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）からなる付加層１８を形成してもよい。
【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。
【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）および付加層１８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、従来の３キャビティ構造と比較して説明したが、３キャビティ以上のマルチキャビティ構造にも有効である。例として、キャビティ数が４の４キャビティ構造で説明する。
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積層した構造において、空気と接している最後に形成された光学媒質層（表面層と呼ぶ）上に、付加層１８として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成した構造である。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。また、キャビティ層４の膜厚を、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の整数倍となるようにしつつ、４つのキャビティ層４で異なるように形成した。
【００９１】
具体的な構造は、図７に示すように、シリコン基板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１９層積層され、その上にキャビティ層４ａ（１２Ｌ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３９層積層されており、その上にキャビティ層４ｂ（４Ｌ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４１層積層され、その上にキャビティ層４ｃ（１２Ｌ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３９層積層され、その上にキャビティ層４ｄ（１２Ｌ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１８層積層されている。この時点での表面層は、第１の光学媒質層（Ｌ層）であり、特性マトリックス（Ｍ）は、４キャビティ構造であるため、式（７）となる。さらに表面層上に、付加層１８として、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成した構造となっている。したがって、全体で１６１層の多層膜となっている。
【００９２】
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４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２光学媒質層３（Ｈ層）を付加層１８として形成する点である。言い換えれば、基板１の一主面に３個のシングルキャビティ５を順次形成し、その上に、シングルキャビティ５において、キャビティ層４ｄ（１２Ｌ層）に対して非対称である構造を形成する点である。
【００９３】
基板１としては、屈折率３．２のシリコン（Ｓｉ）基板１、第１の光学媒質層２（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３（Ｈ層）および付加層１８として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を用いる。キャビティ層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとして屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）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４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、このキャビティ層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの光学膜厚が、設計波長λ₀に対して、それぞれ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）および付加層１８は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４ａ、４ｃ、４ｄは３１４１．８４ｎｍ（２６１．８２ｎｍの１２倍）、キャビティ層４ｂは１０４７．２８ｎｍ（２６１．８２ｎｍの４倍）である。
【００９４】
図７に示す４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。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。
【００９５】
図８は、図７に示した光学多層膜フィルタのように、付加層１８として第２の光学媒質層３（Ｈ層）をキャビティ構造体の表面層上に配置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、設計波長での挿入損失が−１．５ｄＢ程度となる。これに対して、付加層１８として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を表面層上に配置したものは、設計波長での挿入損失が−０．３ｄＢ程度と大きく改善する。
【００９６】
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。
シリコン基板１、第２の光学媒質層３（Ｈ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｜＝０．５２３８、式（１３）から求められる反射率係数は｜ｒ｜＝０．１７７３となり、式（１３）から求められる反射率係数は式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さくなる。
また、付加層１８を配置することによって、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。
【００９７】
実施の形態２では、全層の数が１６１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。
【００９８】
さらに、実施の形態２においては、キャビティ層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを第１の光学媒質により形成した場合について説明したが、キャビティ層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを第２の光学媒質により構成した場合にも有効である。
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。
【００９９】
実施の形態２においては、付加層として第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成した場合について説明したが、キャビティ構造体と付加層とからなる光学多層膜フィルタの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_H）、第２行第１列がｉ・（ｎ_H）、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_H）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_H）、第２行第２列が０となれば、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）からなる付加層１８を形成してもよい。
【０１００】
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（ＳｉＯ₂）を、第２の光学媒質層３（Ｈ層）および付加層１８として五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）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ができ、最適なフィルタ特性を得ることができる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のキャビティ構造において空気側の表面層（基板の反対側の表面層）に付加層１８を配置することにより、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_H）、第２行第１列をｉ（ｎ_H）、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_H）、第２行第１列をｉ（−ｎ_H）、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付加層１８を選択できるため、入力損失を抑えることができる。
【０１０２】
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】 配置する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】 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、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…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、１８…付加層。[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. 9, 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. 10, 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, the 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. 12 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 (the 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 (the 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. 12, 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. 12, the first optical medium layer 2 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 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 film thickness of the second optical medium layer 3 is 181.07 nm, the optical film thickness of the first optical medium layer 2 is 261.82 nm, and the optical film thickness of the cavity layer 4 is 523.64 nm.
In FIG. 12, the refractive index is schematically represented by the lateral width of the layer. That is, the wider width of the second optical medium layer 3 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. .
[0024]
In the one-cavity structure optical multilayer filter 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. 13 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. 11 deviates from the rectangular shape (ideal bandpass characteristic) indicated by a 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. 14 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 4 (2L layer). FIG. 14 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. 15 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. 15, 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. 16 shows a 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. 17 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 includes a first optical medium layer made of a first optical medium and a second optical medium made of a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium. A plurality of laminated bodies in which two optical medium layers are alternately laminated, having at least one cavity structure connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium, as a band-pass filter Cavity structure in which the first row and the first column of the characteristic matrix at the design wavelength λ 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, respectively. And an additional layer made up of at least one of the first optical medium layer and the second optical medium layer, the refractive index of the second optical medium being n _H The first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix of the optical multilayer filter composed of the cavity structure and the additional layer are 0, the first row and the second column are i · (1 / n _H ), Second row and first column are i · (n _H ), 2nd row, 2nd column is 0, or 1st row, 1st column is 0, 1st row, 2nd column is i · (−1 / n _H ), The second row and the first column are i · (−n _H ), The second row and the second column are 0.
[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. Adjust the shape of the filter characteristics of an optical multilayer filter having a structure, for example, a cavity structure with 1, 4, 5, 8, 9, and more cavities, reduce ripple, and design wavelength λ ₀ The transmittance at can be improved.
Here, each laminated body should just be the structure which laminated | stacked the 1st optical medium layer and the 2nd optical medium layer alternately, and the 1st optical medium layer and 2nd which comprise each laminated body are sufficient. The number of optical medium layers may be different.
[0046]
In addition, the number of different layers in which the first optical medium layer made of the first optical medium and the second optical medium layer made of the second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium are alternately stacked. A plurality of laminated bodies having at least one cavity structure connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium, and having a design wavelength λ as a bandpass filter ₀ A cavity structure in which 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. And an additional layer that is laminated on the cavity structure and includes at least one of the first optical medium layer and the second optical medium layer, and the refractive index of the second optical medium is n _H The first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix of the optical multilayer filter composed of the cavity structure and the additional layer are 0, the first row and the second column are i · (1 / n _H ), Second row and first column are i · (n _H ), 2nd row, 2nd column is 0, or 1st row, 1st column is 0, 1st row, 2nd column is i · (−1 / n _H ), The second row and the first column are i · (−n _H ), The second row and the second column are 0.
[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. Adjust the shape of the filter characteristics of an optical multilayer filter of a cavity structure, for example, a cavity structure having 2, 3, 6, 7, and more cavities, reduce ripples, and design wavelength λ ₀ The transmittance at can be improved.
Here, each laminated body should just be the structure which laminated | stacked the 1st optical medium layer and the 2nd optical medium layer alternately, and the 1st optical medium layer and 2nd which comprise each laminated body are sufficient. The number of optical medium layers may be different.
[0048]
Further, the additional layer is made of the second optical medium.
According to the present invention, the shape of the filter characteristic of the optical multilayer filter having the conventional cavity structure is adjusted, the ripple is reduced, and the design wavelength λ ₀ The transmittance at can be improved.
[0049]
Further, the first optical medium layer and the second optical medium layer have an optical film thickness of the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The cavity layer is formed with a film thickness that is an integral multiple of / 4, and the optical film thickness of the cavity layer is equal to the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The film thickness is such that it is an integral multiple of / 2.
[0050]
Furthermore, the optical multilayer film filter is formed on a substrate having a higher refractive index than the first optical medium and the second optical medium.
[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.
In the Fabry-Perot type multi-cavity structure, a cavity layer is 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 It 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 prevent an increase in 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 Is 1.47 quartz substrate and the refractive index n of the substrate _s Is generally about 1.48 to 1.50. Recently, the demand for a high refractive index substrate has increased due to the development of new optical devices. 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 optical medium layer added on the cavity structure is set to n _x Considering the above, the transmittance T in this filter structure and the refractive index n of the added optical medium layer _x The relationship is as shown in FIG. Here, as the substrate, the refractive index n _s A quartz substrate having a refractive index n of 1.47 _s The transmittance T was calculated from the equation (5) using a silicon substrate having a thickness of 3.2. As shown in FIG. 2, by using a high refractive index substrate, the transmittance T becomes zero. _x It can be seen that shifts to the high refractive side. Accordingly, the multilayer film can be formed using an optical medium different from the optical medium used for the multilayer film formed when the low refractive index substrate is used while maintaining a predetermined transmittance. An optical device having characteristics can be manufactured.
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 In the conventional cavity structure of the formula (7) or the formula (10), the characteristic matrix (M) in FIG. 8 is formed on the air-side surface layer (surface layer opposite to the substrate) as an additional layer, for example, a second optical medium layer. It has been found that an increase in input loss can be prevented by arranging (H layer).
[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 _H Is the refractive index of the second optical medium layer.
[0059]
[Expression 7]

[0060]
Design wavelength λ ₀ In the optical multilayer filter in which the characteristic matrix in the formula is represented by the formula (11) or formula (12), the refractive index is n on the surface layer in contact with air. _x Design wavelength λ when a third optical medium layer (X layer) composed of the third optical medium is arranged ₀ The characteristic matrix in can be expressed as equation (14) for equation (11) and equation (15) for equation (12). Further, the reflectance is expressed by Equation (16).
[0061]
[Equation 8]

[0062]
When silicon used as a high refractive index substrate having a refractive index of 3.2 is used as the substrate, the refractive index n of the third optical medium layer (X layer) obtained from Expression (16). _x And the transmittance T, the refractive index n of the third optical medium is shown in FIG. _x Becomes 0 dB at about 1.79, but the refractive index n of the third optical medium _x It turns out that becomes small, so that it leaves | separates from 1.79.
[0063]
For example, silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 is used as a first optical medium layer (L layer) on a silicon substrate having a refractive index of 3.2. ₂ ) Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer (H layer) ₂ O _Five ), The design wavelength λ ₀ The characteristic matrix (M) in FIG. 5 forms a cavity structure represented by the formula (7) or the formula (10), and a second layer made of, for example, a second optical medium is formed as an additional layer on the surface layer of the cavity structure. Consider the case where the optical medium layer (H layer) is formed. Referring to FIG. 2, it can be seen that the transmittance T is about -0.1 dB.
[0064]
As mentioned above, the design wavelength λ ₀ The characteristic matrix (M) in FIG. 5 is used as an additional layer on the air-side surface layer (surface layer opposite to the substrate) of the conventional cavity structure of the formula (7) or the formula (10), for example, the second optical medium layer By arranging the (H layer), the characteristic matrix (M) can be expressed by the equation (11) or (12) and the reflectance coefficient | r | can be expressed by the equation (13). An additional layer that is optimal for improving T can be selected, and an increase in input loss can be prevented. As a result, in one cavity including the surface layer on the air side, the symmetry with respect to the cavity layer is broken.
Therefore, good filter characteristics can be obtained by an easy means of arranging the additional layer, so that the degree of freedom in designing the optical multilayer filter can be greatly increased.
[0065]
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 stacked while maintaining the regularity of alternately stacking first optical medium layers 2 (L layers) made of one optical medium, they are formed last in contact with air. The second optical medium layer 3 (H layer) is formed as the additional layer 18 on the optical medium layer (referred to as a surface layer). In other words, the air-side surface layer (surface layer on the opposite side of the substrate) is formed by the second optical medium so that its film thickness is twice that of the other second optical medium layer 3. . The cavity layer 4 is formed by, for example, a first optical medium.
[0066]
As shown in FIG. 3, for example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated on the silicon substrate 1, for example, 21 layers. The cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. On that layer, for example, 43 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Has been. On that layer, for example, 43 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Has been. On that layer, 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. The surface layer when the 21 layers are stacked is the second optical medium layer 3 (H layer). On this, for example, the second optical medium layer 3 is formed as the additional layer 18. In this structure, since the surface layer and the additional layer 18 are both formed by the second optical medium layer 3, in the case of manufacturing, for example, by doubling the film formation time, It is formed with a film thickness twice that of the optical medium layer 3 (H layer). Therefore, when the last formed second optical medium 3 (H layer) is calculated as two layers, a total of 132 multilayer films are obtained.
[0067]
Also in FIG. 3, the refractive index is schematically represented by the lateral width of the layer. That is, the wider width of the second optical medium layer 3 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. . Hereinafter, the same schematic diagram will be used for explanation.
[0068]
The structure is characterized by having three cavity layers 4, but is not simply a structure in which three single cavities 5 are laminated, but three single cavities 5 are sequentially formed on one main surface of the substrate 1 ( The additional layer 18 made of the second optical medium layer 2 is formed on the cavity structure. In other words, two single cavities 5 are sequentially formed on one main surface of the substrate 1, and a structure that is asymmetric with respect to the cavity layer 4 (2L layer) is formed on the single cavities 5. .
The cavity layer 4 is a 2L layer in which two first optical medium layers 2 (L layers) are continuously formed. Further, by arranging the second optical medium layer 3 (H layer) as the additional layer 18 on the surface layer, 2H is formed as a result of continuously forming the second optical medium layer 3 (H layer). A layer is formed, and a 2L layer and a 2H layer are mixed. The 2H layer in this case has a completely different role from the cavity layer 4 (2L layer).
[0069]
The substrate 1 is a silicon substrate having a refractive index of 3.2, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2 having a refractive index of 1.48). ₂ ), The second optical medium layer 3 (H layer) and the additional layer 18 as 2.14 tantalum pentoxide (Ta ₂ O _Five ) Is used. 1.48 silicon dioxide (SiO2) as cavity layer 4 (2L layer) ₂ ) Is used.
[0070]
Each optical film thickness is the design wavelength (hereinafter referred to as the design wavelength) as a bandpass filter. ₀ = 1550 nm, the first optical medium layer 2 (L layer), the second optical medium layer 3 (H layer), and the additional layer 18 have an optical film thickness of 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) and the additional layer 18 are 181.07 nm. The cavity layer 4 (2L layer) is 523.64 nm.
[0071]
In the three-cavity optical multilayer filter 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 |
[0072]
FIG. 4 shows filter transmission characteristics when the second optical medium layer 3 (H layer) is arranged as the additional layer 18 on the surface layer of the cavity structure as in the optical multilayer filter shown in FIG. . For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of the conventional three-cavity structure are also shown.
In the conventional three-cavity structure, the insertion loss at the design wavelength is about -1.5 dB. On the other hand, when the second optical medium layer 3 (H layer) is arranged on the surface layer as the additional layer 18, the insertion loss at the design wavelength is greatly improved to about -0.2 dB.
[0073]
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 silicon substrate 1 and the second optical medium layer 3 (H layer) are substituted, the reflectance coefficient obtained from the equation (8) is | r | = 0.5238, and the reflectance obtained from the equation (13). The coefficient is | r | = 0.1773, and the reflectance coefficient obtained from Expression (13) is smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from Expression (8).
Further, it can be seen that by arranging the additional layer 18, the band-pass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0074]
In the first embodiment, the total number of layers is 132, 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.
[0075]
Furthermore, although the case where the cavity layer 4 is formed of the first optical medium has been described in the first embodiment, it is also effective when the cavity layer 4 is formed 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 second optical medium layer 3 (H layer) need to be changed.
[0076]
In the first embodiment, the case where the second optical medium layer 3 (H layer) is formed as the additional layer has been described. However, the matrix of the characteristic matrix of the optical multilayer filter including the cavity structure and the additional layer is described. The first row and first column of the component are 0, and the first row and second column are i · (1 / n _H ), Second row and first column are i · (n _H ), 2nd row, 2nd column is 0, or 1st row, 1st column is 0, 1st row, 2nd column is i · (−1 / n _H ), The second row and the first column are i · (−n _H If the second row and the second column are 0, the additional layer 18 composed of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) may be formed.
[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 ) Tantalum pentoxide (Ta) as the second optical medium layer 3 (H layer) and the additional layer 18. 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 first embodiment has been described in comparison with a conventional three-cavity structure, it is also effective for a multi-cavity structure having three or more cavities. As an example, a four-cavity structure with four cavities will be described.
The optical multilayer filter according to Embodiment 2 has a conventional cavity structure having a four-cavity structure with four 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 four single cavities 5 are stacked while maintaining the regularity of alternately stacking first optical medium layers 2 (L layers) made of one optical medium, the first optical medium layer 2 (L layer) is formed last. The second optical medium layer 3 (H layer) is formed as the additional layer 18 on the optical medium layer (referred to as the surface layer). The cavity layer 4 is formed of, for example, a first optical medium. In addition, the thickness of the cavity layer 4 is set so that the optical thickness of the cavity layer is equal to the design wavelength λ. ₀ For λ ₀ The four cavity layers 4 were formed to be different while being an integral multiple of / 2.
[0091]
Specifically, as shown in FIG. 7, for example, 19 layers of second optical medium layers 3 (H layers) and first optical medium layers 2 (L layers) are alternately stacked on a silicon substrate 1. The cavity layer 4a (12L layer) is formed thereon. On that layer, for example, 39 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, and a cavity layer 4b (4L layer) is formed thereon. Has been. On that layer, for example, 41 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, and the cavity layer 4c (12L layer) is formed thereon. Yes. The second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer), for example, 39 layers are alternately laminated thereon, and the cavity layer 4d (12L layer) is formed thereon. Yes. Further, for example, 18 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated thereon. Since the surface layer at this point is the first optical medium layer (L layer) and the characteristic matrix (M) has a four-cavity structure, Equation (7) is obtained. Further, the second optical medium layer 3 (H layer) is formed as the additional layer 18 on the surface layer. Therefore, it is a multilayer film of 161 layers as a whole.
[0092]
The structure is characterized by having four cavity layers 4, but it is not simply a structure in which four single cavities 5 are stacked, but four single cavities 5 are sequentially formed on one main surface of the substrate 1 ( Called a cavity structure). The second optical medium layer 3 (H layer) is formed as the additional layer 18 on the cavity structure. In other words, three single cavities 5 are sequentially formed on one main surface of the substrate 1, and a structure that is asymmetric with respect to the cavity layer 4d (12L layer) is formed on the single cavities 5 thereon. .
[0093]
The substrate 1 is a silicon (Si) substrate 1 having a refractive index of 3.2, 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) and the additional layer 18. ₂ O _Five ) Is used. As the cavity layers 4a, 4b, 4c, 4d, silicon dioxide having a refractive index of 1.48 (SiO2) ₂ ) 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. Further, the cavity layers 4a, 4b, 4c, and 4d have optical thicknesses of the cavity layers 4a, 4b, 4c, and 4d that are equal to the design wavelength λ. ₀ For each 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) and the additional layer 18 are 181.07 nm. The cavity layers 4a, 4c, and 4d are 3141.84 nm (12 times of 261.82 nm), and the cavity layer 4b is 1047.28 nm (4 times of 261.82 nm).
[0094]
In the four-cavity structure optical multilayer filter 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 |
[0095]
FIG. 8 shows filter transmission characteristics when the second optical medium layer 3 (H layer) is disposed as the additional layer 18 on the surface layer of the cavity structure as in the optical multilayer filter shown in FIG. . For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of the conventional four-cavity structure are also shown.
In the conventional 4-cavity structure, the insertion loss at the design wavelength is about -1.5 dB. On the other hand, when the second optical medium layer 3 (H layer) is disposed on the surface layer as the additional layer 18, the insertion loss at the design wavelength is greatly improved to about -0.3 dB.
[0096]
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 the second embodiment, Expression (13) is obtained.
When the refractive indexes of the silicon substrate 1 and the second optical medium layer 3 (H layer) are substituted, the reflectance coefficient obtained from the equation (8) is | r | = 0.5238, and the reflectance obtained from the equation (13). The coefficient is | r | = 0.1773, and the reflectance coefficient obtained from Expression (13) is smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from Expression (8).
Further, it can be seen that by arranging the additional layer 18, the band-pass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0097]
In the second embodiment, the total number of layers is 161, 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.
[0098]
Further, in the second embodiment, the case where the cavity layers 4a, 4b, 4c, and 4d are formed of the first optical medium has been described. However, the cavity layers 4a, 4b, 4c, and 4d are configured of the second optical medium. It is also effective when
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 second optical medium layer 3 (H layer) need to be changed.
[0099]
In the second embodiment, the case where the second optical medium layer 3 (H layer) is formed as the additional layer has been described. However, the matrix component of the characteristic matrix of the optical multilayer filter composed of the cavity structure and the additional layer is described. 1st row 1st column is 0, 1st row 2nd column is i · (1 / n _H ), Second row and first column are i · (n _H ), 2nd row, 2nd column is 0, or 1st row, 1st column is 0, 1st row, 2nd column is i · (−1 / n _H ), The second row and the first column are i · (−n _H If the second row and the second column are 0, the additional layer 18 composed of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) may be formed.
[0100]
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). ) As silicon dioxide (SiO2) ₂ ) Tantalum pentoxide (Ta) as the second optical medium layer 3 (H layer) and the additional layer 18. ₂ O _Five ) Can be formed.
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, by controlling the refractive index by selecting the material of the target and the flow rate (amount) of the reactive gas, the optimal refractive index can be selected, and the optimum filter characteristics can be obtained.
[0101]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the conventional cavity structure, the additional layer 18 is disposed on the air-side surface layer (surface layer on the opposite side of the substrate), whereby the first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix (M). Is 0, the first row and the second column are i (1 / n _H ), I (n _H ), The second row and the second column are 0, or the first row and the first column are 0, and the first row and the second column are i (−1 / n). _H ), The second row and the first column are i (−n) _H ) Since the second row and the second column can be set to 0, the optimum additional layer 18 for improving the transmittance T can be selected according to the substrate to be used, so that the input loss can be suppressed.
[0102]
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 and a transmittance of an optical medium layer to be arranged.
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.
FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of an optical multilayer filter.
FIG. 10 is a diagram for explaining an optical multilayer filter.
FIG. 11 is a diagram for explaining the performance in the filter characteristics of the optical multilayer filter.
FIG. 12 is a diagram for explaining the structure of an optical multilayer filter.
FIG. 13 is a diagram showing the transmission characteristics of an optical multilayer filter.
FIG. 14 is a diagram for explaining the structure of an optical multilayer filter having a multi-cavity structure.
FIG. 15 is a diagram for explaining the transmission characteristics of a conventional two-cavity optical multilayer filter.
FIG. 16 is a diagram for explaining transmission characteristics of a conventional three-cavity optical multilayer filter.
FIG. 17 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, 4a, 4b, 4c, 4d ... Cavity layer, 5 ... Single cavity (1 cavity), 6 ... Substrate holder, 7 ... Target, 8 ... ECR region, 9 ... Magnetic coil, 10 ... High frequency power, 11 ... Quartz window, 12 ... Optical medium film, 13 ... First optical medium film, 14 ... Second optical medium film, 15 ... First k-2 optical medium film, 16... k-1 optical medium film, 17 .kth optical medium film, 18.

Claims (4)

A plurality of laminated bodies 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 laminated, The first row of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength λ as a bandpass filter has at least one cavity structure 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,
The substrate of the cavity structure is formed on the opposite side of the surface layer, and the previous SL second optical medium layer or Ranaru additional layer,
Have
When the refractive index of the second optical medium is n _H , the first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix of the optical multilayer filter composed of the cavity structure and the additional layer are 0, 1 Row 2nd column is i · (1 / n _H ), 2nd row 1st column is i · (n _H ), 2nd row 2nd column is 0, or 1st row 1st column is 0, 1st An optical multilayer filter, wherein the second row and column are i · (−1 / n _H ), the second row and first column are i · (−n _H ), and the second row and second column are 0. A plurality of laminated bodies 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 laminated, The first row of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength λ ₀ having at least one cavity structure connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium, as a bandpass filter A cavity structure in which the first 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 is -1.
The substrate of the cavity structure is formed on the opposite side of the surface layer, and the previous SL second optical medium layer or Ranaru additional layer,
Have
When the refractive index of the second optical medium is n _H , the first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix of the optical multilayer filter composed of the cavity structure and the additional layer are 0, 1 Row 2nd column is i · (1 / n _H ), 2nd row 1st column is i · (n _H ), 2nd row 2nd column is 0, or 1st row 1st column is 0, 1st An optical multilayer filter, wherein the second row and column are i · (−1 / n _H ), the second row and first column are i · (−n _H ), and the second row and second column are 0. The optical multilayer filter according to claim 1 or 2,
Wherein the first optical medium layer, and said second optical medium layer, forming these optical film thickness, respectively, with respect to the design wavelength lambda _0, a thickness such that an integral multiple of lambda _0/4 And
The cavity layer, the optical thickness of the said cavity layer, the optical multilayer filter, characterized in that the design wavelength lambda _0, and a film thickness such that an integral multiple of λ _0/2. The optical multilayer filter according to any one of claims 1 to 3,
The optical multilayer filter , wherein the substrate has a higher refractive index than the first optical medium and the second optical medium .

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