JP4028219B2 - 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層、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利用されている。また、最近では、広帯域光波長多重通信（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に応用される。
【０００３】
光学多層膜フィルタの設計について、図２１〜図２３を参照して、説明する。図２１に示すように、屈折率ｎ₀の基板１上に、屈折率ｎ₁の透明な光学媒質層１２を膜厚ｄ₁で形成した単層膜フィルタにおいて、光学媒質層１２に光が入射した場合に、特性マトリックス（Ｍ）は式（１）のように定義される。
ただし、入射光の波長をλ、入射角を入射面の法線に対しθ、β＝２π（ｎ₁）（ｄ₁）・ｃｏｓ（θ）／λ、ｒ＝（ｎ₁）・ｃｏｓ（θ）と定義する。
また、ｉは虚数を示し、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＝ｓｉｎ（β）／ｒ、ｍ₂₁＝ｒ・ｓｉｎ（β）である。
【０００４】
【数１】

【０００５】
式（１）において、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、ｒ＝（ｎ₁）となる。
また、入射角θが０度かつ光学膜厚が（ｎ₁）（ｄ₁）＝λ／４の場合は、β＝π／２であるので、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が０度かつ光学膜厚が（ｎ₁）（ｄ₁）＝λ／２の場合は、β＝πであるので、ｃｏｓ（β）＝−１、ｓｉｎ（β）＝０となる。したがって、ｍ₁₁＝ｍ₂₂＝０、ｍ₁₂＝１／（ｎ₁）、ｍ₂₁＝ｎ₁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度の場合にはｒ＝ｎ₁であるため、式（２）、（３）となる。
【０００６】
【数２】

【０００７】
式（２）（３）から、反射率Ｒは式（４）、透過率Ｔは式（５）となる。
【０００８】
【数３】

【０００９】
光学膜厚が（ｎ₁）（ｄ₁）＝λ／２および（ｎ₁）（ｄ₁）＝λ／２の場合には、高い反射率、高い透過率が得られる。
次に、図２２に示すような光学多層膜の場合には、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Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃、・・・、Ｍ_k-1、Ｍ_k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Ｍ₁₁、Ｍ₁₂、Ｍ₂₁、Ｍ₂₂とした。
【００１０】
【数４】

【００１１】
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λ₀に固定して光学膜厚ｎ_d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。
【００１２】
次に、光波長多重通信（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２３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、一般的には、−０．５ｄＢでのフィルタ透過幅（または透過帯幅）δＷ_(F)と、−２５ｄＢでのクロストーク透過幅δＷ_(C)と、挿入損失と、リップル強度とが用いられる。
【００１３】
フィルタ透過幅は、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幅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、フィルタ透過幅とクロストーク幅がともに狭くなることで、規定されたバンド帯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。
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。
また、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る。リップルが現れた場合、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は、点線で示した矩形の形状が求められている。
【００１４】
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が２ｎｍ以下、−２５ｄＢでのクロストーク透過幅が４から８ｎｍ程度であるが、既にフィルタ透過幅が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、フィルタ特性幅が０．１ｎｍ、クロストーク幅が０．２ｎｍから０．８ｎｍ、挿入損失が−１ｄＢ以下、リップル強度が−０．２ｄＢである。
このため、最適なバンドパスフィルタの設計が求められている。
また、光学多層膜の層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。
【００１５】
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（Ｓｉ₂）、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（Ｓｂ₂Ｏ₅）、三酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₅）、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_x）、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）、一フッ化リチウム（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。
【００１６】
一般には、これらの薄膜材料のうち屈折率の異なる２種類の材料を選択し、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製する。
このような材料を積み重ねて多層膜として形成するために、様々な形成装置および形成方法が試みられている。
その中でスパッタ法（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・方法の一つになっている。
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。
【００１７】
また、スパッタ膜の品質を改善するために、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とを基板に照射するとともに、夕一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、膜を基板上に堆積させる装置・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。
【００１８】
一般的に、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ことにより、低い圧力でのスパッタリングが可能である。
【００１９】
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、原料粒子と酸素または窒素との結合反応を促進することとなるために膜質が改善される。
【００２０】
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の堆積については、例えば、天津他、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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により、堆積膜の屈折率を精度良く制御することが可能である。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な屈折率を任意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可能となる。
【００２３】
図２４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ｎ_d＝λ₀／２（２Ｌ）のキャビティ層４（２Ｌ）と呼ばれる層の上下を、第１の光学媒質層２（光学膜厚ｎ_d＝λ₀／４）と第１の光学媒質層より高い屈折率を有するの第２の光学媒質層３（光学膜厚ｎ_d＝λ₀／４）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λ／２の第１の光学媒質層２または第２の光学媒質層３により構成される。図２４では、基板上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを繰り返し２１層積層し、この上に２Ｌのキャビティ層を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを繰り返し２１層積層して全体で４３層の多層膜となっている。このような、キャビティ層を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、キャビティ層が２つ、３つ、４つと増えてゆくと、「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」と呼ぶ。
【００２４】
図２４を参照し、第１の光学媒質層２として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３として屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用いた場合について詳細に説明する。
ただし、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。第２の光学媒質層３の光学膜厚ｄ_Hは１１９．２３ｎｍ、第１の光学媒質層２の光学膜厚ｄ_Lは１８１．０７ｎｍ、キャビティ層４の光学膜厚ｄ_Cは２×ｄ_Lで３６２．１５ｎｍである。また、図２４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、屈折率が大きいことを示している。
【００２５】
図２４に示した光学多層膜フィルタの透過特性を図２５に示す。図２５（ａ）は、１４００ｎｍから１７００ｎｍの波長範囲の特性であり、極めて急峻で半値幅の狭いバンドパス特性が得られている。
また、バンドパスフィルタとしての設計波長λ₀近傍での波長特性を図２５（ｂ）に示す。フィルタ透過幅は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のクロストーク幅が１ｎｍ程度となり仕様を大きく越えている。また、図２３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。
【００２６】
そこで、キャビティ数を増やすことで、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２６には、例えば、第１の光学媒質層２として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３として屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用い、キャビティ数を２としたダブルキャビティの場合のスペクトル形状を示す。
バンドパスフィルタとしての設計波長はλ₀＝１５５０ｎｍ、第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に１９層積層し、この上に２Ｌのキャビティ層４を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に３９層積層して、さらにこの上に２Ｌのキャビティ層４を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に１９層積層する。したがって、全体で７９層の多層膜となっている。つまり、図２４のシングルキャビティの光学多層膜フィルタを直列につなげて、つなぎ目にあたる部分に第１の光学媒質層２を配置した構造となっている。
上記のようにシングルキャビティを直列配置して２以上のキャビティをもつ多層膜構造が一般的に用いられており、ファブリペロー型と呼ばれる。図２６（ａ），（ｂ）のバンドパススペクトル形状を見ると、フィルタ透過幅は約０．１ｎｍを達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅も０．２４ｎｍと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、リップルが−１．５ｄＢにも及ぶため、要求仕様を満たさない。
【００２７】
この現象は、３以上のキャビティでも見られる。図２７には、第１の光学媒質層２として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３として屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用い、キャビティ数を３としたトリプルキャビティの場合のスペクトル形状を示す。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１９層積層し、この上に２Ｌのキャビティ層４を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に３９層積層し、さらにこの上に２Ｌのキャビティ層４を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に３９層積層し、さらにこの上に２Ｌのキャビティ層４を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に１９層積層する。したがって、全体で１１９層の多層膜となっている。
バンドパススペクトル形状は、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、フィルタ透過幅は約０．１ｎｍを達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅も０．２４ｎｍと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、リップルが−２ｄＢにも及び、要求仕様を満たさなくなってしまう。
【００２８】
図２８には、第１の光学媒質層２として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３として屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用い、キャビティ数を４とした４キャビティの場合のスペクトル形状を示す。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とを交互に多層積層し、２Ｌのキャビティ層４を４層配置して、全体で１５９層の多層膜となっている。
バンドパススペクトル形状は、図２８（ａ）、（ｂ）に示すように、フィルタ透過幅は約０．１ｎｍを達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅も０．２ｎｍと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、リップルが−３ｄＢにも及び、要求仕様を満たさない。
【００２９】
図２９は、第１の光学媒質層２として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３として屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用い、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。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とを交互に多層積層し、２Ｌのキャビティ層を５層配置して、全体で１９９層の多層膜となっている。
バンドパススペクトル形状は、図２９（ａ）、（ｂ）に示すように、フィルタ透過幅は約０．１ｎｍを達成しており、シングルキャビティで広がってしまった−２５ｄＢのクロストーク幅も０．２ｎｍと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、リップルが−４ｄＢにも及ぶため、要求仕様を満たさない。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、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。図３０に、キャビティ数に対するフィルタ透過幅／クロストーク幅、および、リップ強度の特性を示す。キャビティ数が増加するにしたがって、クロストーク幅は小さくなって行くのに対し、フィルタ透過幅やリップル強度は大きくなって行くことがわかる。フィルタ透過幅は、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。
【００３１】
また、例に示した五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）と水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）以外、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）と五酸化タンタルの多層膜でも、またその他の多層膜の組み合わせても見られる現象である。
【００３２】
上記した通り、０．１ｎｍ程度と狭いフィルタ透過幅を実現しながら、狭いクロストーク幅、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実現することは困難である。そのため、要求仕様を満たすバンドパス特性を示すフィルタ構造の実現が不可欠となっている。
【００３３】
そこで、本発明の目的は、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。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の光学多層膜フィルタは、キャビティ層の間の第１の光学媒質層のうち少なくとも１層を、第１の光学媒質よりも低い屈折率を有する第３の光学媒質からなる第３の光学媒質層により形成し、さらに、第１の光学媒質層と、第２の光学媒質層と、第３の光学媒質層とを、これらの光学膜厚がそれぞれ、バンドパスフィルタとしての設計波長λに対して、λ／４になるような膜厚で形成し、キャビティ層を、この前記キャビティ層の光学膜厚が、バンドパスフィルタとしての設計波長λに対して、λ／２の整数倍になるような膜厚で形成したことを特徴とする。
【００３５】
【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。
【００３６】
実施の形態１にかかる光学多層膜フィルタは、２キャビティの基本構造を有し、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂの間の第１の光学媒質層２の代わりに、第１の光学媒質層２よりも低い屈折率を有する第３の光学媒質層５を配置した構造である。
【００３７】
具体的な構造は、図１に示すように、基板１上に、第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されており、その上に第２のキャビティ層４ｂが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１５層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１９層積層されている。その上に第１のキャビティ層４ａが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されている。したがって、全体で７１層の多層膜となっている。
【００３８】
基板１としては屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２としては屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３としては屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂとしては第１の光学媒質層２と同様に屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第３の光学媒質層５としては屈折率が１．９５の窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、または屈折率が１．６３のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、または屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、または屈折率が１．３７のフッ素化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を用いる。
【００３９】
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は１８１．０７ｎｍ、第２の光学媒質層３は１１９．２３ｎｍ、キャビティ層は３６２．１５ｎｍである。また、第３の光学媒質層５は、窒化シリコンでは１９８．７２ｎｍ、アルミナでは２３７．７３ｎｍ、二酸化シリコンでは２６１．８２ｎｍ、フッ素化マグネシウムでは２８２．８５ｎｍである。
【００４０】
また、図１においては、第１の光学媒質層２、第２の光学媒質層３、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、および第３の光学媒質層５の屈折率を、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より第２の光学媒質層３の横幅が広いのは屈折率が大きいためであり、第３の光学媒質層５の横幅が第１の光学媒質層２の横幅よりも狭いのは屈折率が小さいためである。
【００４１】
図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示した光学多層膜フィルタの第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の屈折率を変化させた場合のフィルタ特性を示す。比較のため第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えない２キャビティの基本構成のフィルタ特性も合わせて示す。第３の光学媒質層５に置き換えない場合は、フィルタ透過幅が０．２ｎｍ程度、リップルが−１．５ｄＢである。また、第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた場合には、リップルが大きく改善され、フィルタ透過幅も０．１ｎｍ程度になることがわかる。
【００４２】
図３に、図１に示した光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の屈折率を変化させた場合のフィルタ透過幅とクロストーク幅およびリップル強度の変化を示す。図３によれば、第３の光学媒質層５の屈折率を小さくするにしたがって、フィルタ透過幅とクロストーク幅が狭くなるとともに、リップル強度も大きく改善し、屈折率が１．３７でリップルがなくなることがわかる。
【００４３】
図４に、図１に示した光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の位置を変化させた場合のフィルタ透過幅とリップル強度の変化について示す。第３の光学媒質層５により置き換える第１の光学媒質層２の位置は、第１のキャビティ層より基板側に向かって数えたものである。図４によれば、第３の光学媒質層５により置き換える第１の光学媒質層２の位置を変えてもフィルタ透過幅に大きな変化は見られないことがわかる。また、リップル強度については、幾分リップル強度が小さくなる傾向はあるが、その変化量は小さく、キャビティ層間のどの位置の第１の光学媒質層２を置き換えても同様の効果が期待できることがわかる。
【００４４】
実施の形態1では、２キャビティ構造において、第１のキャビティ層より基板側に向かって２０層目の第１の光学媒質層を第３の光学媒質層に置き換えた構造となっているが、第１と第２のキャビティ層の間のいずれの第１の光学媒質層と置き換えても同様の効果が得られる。
また、実施の形態１では、全層の数が７１層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅を得るために適宜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ことは言うまでもない。
【００４５】
次に製造方法について説明する。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。
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、導波管とモード変換器、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、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを生成する（ＥＣＲ領域８を形成する）。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。本実施の形態に示す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で、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に高周波電力１０を印加してスパッタリングを行って、基板ホルダー６に取り付けられた基板１上に薄膜を形成する。
【００４６】
また、複数のＥＣＲプラズマ源と複数のターゲット７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として五酸化タンタルを、第２の光学媒質層３としてアモルファスシリコンを、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂとして五酸化タンタルを形成し、第１の光学媒質層２の代わりに導入する第３の光学媒質層５として二酸化シリコンまたは酸化シリコン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。
【００４７】
また、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、不活性ガスとしてアルゴンを用いて、酸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。
【００４８】
上記のようにして基板上に成膜した酸化シリコン膜とアルミナ膜の屈折率の酸素流量依存性を図６に示す。アルゴンガス流量を２０ｓｃｃｍとし、酸素ガス流量を０から６ｓｃｃｍ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。また、基板は加熱していない。尚、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。
図６によれば、酸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、ある酸素ガス流量で急激に減少し、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。したがって、反応性ガスにより、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４．２の範囲で、アルミナ膜では１．６１から４．３の範囲で制御できることを示している。
【００４９】
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）により、屈折率の制御が可能である。
【００５０】
実施の形態２にかかる光学多層膜フィルタは、３キャビティの基本構造を有し、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂの間の第１の光学媒質層２および第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃの間の第１の光学媒質層２のうちそれぞれ２層を、第１の光学媒質層２より低い屈折率を有する第３の光学媒質層５により、置換した構造となっている。
【００５１】
具体的な構造は、図７に示すように、基板１上に、第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されており、その上に第３のキャビティ層４ｃが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１５層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば９層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば９層積層されており、その上に第２のキャビティ層４ｂが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば７層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１３層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１３層積層されており、その上に第１のキャビティ層４ａが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されている。したがって、全体で１０７層の多層膜となっている。
【００５２】
基板１としては屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２としては屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３としては屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃとしては第１の光学媒質層２と同様に屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第３の光学媒質層５としては屈折率が１．９５の窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、または屈折率が１．６３のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、または屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、または屈折率が１．３７のフッ素化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を用いる。
【００５３】
それぞれの光学膜厚は、実施の形態１と同様に、設計波長をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２は１８１．０７ｎｍ、第２の光学媒質層３は１１９．２３ｎｍ、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃはともに３６２．１５ｎｍである。また、第３の光学媒質層５は、窒化シリコンでは１９８．７２ｎｍ、アルミナでは２３７．７３ｎｍ、二酸化シリコンでは２６１．８２ｎｍ、フッ素化マグネシウムでは２８２．８５ｎｍである。
【００５４】
また、実施の形態１と同様に、図７において、第１の光学媒質層２、第２の光学媒質層３、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、および第３の光学媒質層５の屈折率を、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より第２の光学媒質層３の横幅が広いのは屈折率が大きいためであり、第３の光学媒質層５の横幅が第１の光学媒質層２の横幅よりも狭いのは屈折率が小さいためである。
【００５５】
図８（ａ）、（ｂ）は、図７に示した光学多層膜フィルタの第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の屈折率を変化させた場合のフィルタ特性を示す。比較のため第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えない３キャビティの基本構成のフィルタ特性も合わせて示す。第３の光学媒質層５に置き換えない場合は、フィルタ透過幅が０．２５ｎｍ程度、リップルが−２ｄＢである。それに対し、第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた場合、リップルが大きく改善され、屈折率が１．３７の時にフィルタ透過幅も０．１ｎｍ程度になることがわかる。
【００５６】
図９に、図７に示した光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の屈折率を変化させた場合のフィルタ透過幅とクロストーク幅およびリップル強度の変化を示す。
図９によれば、第３の光学媒質層５の屈折率を小さくするにしたがって、フィルタ透過幅とクロストーク幅が狭くなるとともに、リップル強度も大きく改善し、屈折率が１．３７でリップルがほとんどなくなることがわかる。
【００５７】
本実施の形態２では、３キャビティ構造において、第１のキャビティ層より基板側に向かって１４層目と２８層目の第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５により置き換え、また第２のキャビティ層より基板に向かって１０層目と２０層目の第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた構造となっているが、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂの間および第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃの間の第１の光学媒質層２のうち、どの２層の第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５と置き換えても同様の効果が得られる。
【００５８】
また、実施の形態２では、全層の数が１０７層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅を得るために適宜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ことは言うまでもない。
【００５９】
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、第１の光学媒質層２として五酸化タンタルを、第２の光学媒質層３としてアモルファスシリコンを、第１キャビティ層４ａ、第２キャビティ層４ｂ、第３キャビティ層４ｃとして五酸化タンタルを形成し、第１の光学媒質層２の代わりに導入する第３の光学媒質層５として例えば二酸化シリコンを堆積することによって、形成することが可能である。反応性ガスの流量（分圧）により、屈折率を制御することにより、最適なフィルタ特性を得ることが可能である。
【００６０】
実施の形態３にかかる光学多層膜フィルタは、３キャビティの基本構造を有し、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間の第１の光学媒質層２および第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間の第１の光学媒質層２のうちそれぞれ１層の第１の光学媒質層２を、第１の光学媒質層２より低い屈折率を有する第３の光学媒質層５により、置換した構造である。
【００６１】
具体的な構造は、図１０に示すように、基板１上に、３キャビティの基本構造を形成し、第１のキャビティ層から基板側に向かって１６層目の第１の光学媒質層２と第２のキャビティ層から基板側に向かって２０層目の第１の光学媒質層２とを第３の光学媒質層５に置き換えた構造である。したがって、全体で１１１層の多層膜となる。
【００６２】
基板１としては、屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２としては屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３としては屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃとしては第１の光学媒質層２と同様に屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第３の光学媒質層５としては屈折率が１．９５そして、第１の光学媒質層よりも低い屈折を持つ光学媒質層として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）である。第３の光学媒質として、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、または屈折率が１．６３のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、または屈折率が１．３７のフッ素化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を用いてもよい。
【００６３】
それぞれの光学膜厚は、実施の形態１と同様に、設計波長をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２は１８１．０７ｎｍ、第２の光学媒質層３は１１９．２３ｎｍ、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃはともに３６２．１５ｎｍ、第３の光学媒質層は二酸化シリコンでは２６１．８２ｎｍである。
【００６４】
また、実施の形態１と同様に、図１０において、第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ４ｂ、第３のキャビティ４ｃ、および第３の光学媒質層５の屈折率を層の横幅により、模式的に示した。
【００６５】
図１１（ａ）、（ｂ）に、図１０に示した光学多層膜フィルタの第３の光学媒質層（ＬＬ層）５を屈折率を１．４８を有する二酸化シリコンとした場合のフィルタ特性を示す。比較のために第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えない３キャビティ構成のフィルタ特性も合わせて示す。第３の光学媒質層５に置き換えない場合は、フィルタ透過幅が０．１５ｎｍ程度、リップルが−０．５ｄＢである。それに対し、第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えると、リップルが大きく改善され、フィルタ透過幅も０．１ｎｍ以下になることがわかる。
【００６６】
本実施の形態３では、３キャビティ構造において、第１キャビティ層より基板側に向かって１６層目と第２キャビティ層より基板側に向かって２０層目の第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた構造の例を示したが、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間、および、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間のいずれの第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えても同様の効果が得られる。
【００６７】
また、実施の形態３では、全層の数が１１１層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅を得るために適宜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ことは言うまでもない。
【００６８】
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、第１の光学媒質層２として五酸化タンタルを、第２の光学媒質層３としてアモルファスシリコンを、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃとして五酸化タンタルを形成し、第１の光学媒質層の代わりに導入する第３の光学媒質層５として例えば二酸化シリコンを堆積することによって、形成することが可能である。反応性ガスの流量（分圧）により、屈折率を制御することにより、最適なフィルタ特性を得ることが可能である。
【００６９】
実施の形態４にかかる光学多層膜フィルタは、４キャビティの基本構造を有し、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間の第１の光学媒質層２のうちの５層を、第１の光学媒質層２より低い屈折率を有する第３の光学媒質層５により、置き換えた構造である。
【００７０】
具体的な構造は、図１２に示すように、基板１上に、第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば２１層積層されており、その上に第４のキャビティ層４ｄが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に４３層積層されており、その上に第３のキャビティ層４ｃが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に３層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に５層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に１１層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に９層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に５層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に５層積層されており、その上に第２のキャビティ層４ｂが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に４３層積層されており、その上に第１のキャビティ層４ａが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に２１層積層されている。したがって、全体で１７５層の多層膜となっている。
【００７１】
基板１としては屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２としては屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第２の光学媒質層３として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄとしては第１の光学媒質層２と同様に屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、第３の光学媒質層５として屈折率が１．３７のフッ素化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を用いる。
【００７２】
それぞれの光学膜厚は、設計波長をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２は２６１．８２ｎｍ、第２の光学媒質層３は１８１．０７ｎｍ、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄは５２３．６４ｎｍ、第３の光学媒質層５は２８２．８５ｎｍである。
【００７３】
また、実施の形態１と同様に、図１２において、第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄ、および第３の光学媒質層５の屈折率を層の横幅により、模式的に表した。
【００７４】
図１３（ａ）、（ｂ）は、図１２に示した光学多層膜フィルタにおいて、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間の第１の光学媒質層（Ｌ層）２のうち第３の光学媒質層（ＬＬ層）５により置き換える層数を変化させた場合のフィルタ透過特性を示す。比較のために第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５により置き換えない４キャビティの基本構成のフィルタ特性も合わせて示す。第３の光学媒質層５に置き換えない場合は、フィルタ透過幅が０．２５ｎｍ程度、リップルが−１ｄＢである。それに対し、第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた場合、リップルが大きく改善され、第３の光学媒質層５の層数を５枚にした場合には、リップル強度が−０．０５ｄＢに改善され、かつ、フィルタ透過幅も０．１ｎｍ程度になることがわかる。
【００７５】
図１４に、図１２に示した光学多層膜フィルタにおける、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間に形成される第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の層数を変えた場合のフィルタ透過幅とクロストーク幅およびリップル強度の変化を示す。
図１４により第３の光学媒質層５の層数を増加させるにしたがって、フィルタ透過幅とクロストーク幅が狭くなるとともに、リップル強度も大きく改善し、５層でフィルタ透過幅が０．１ｎｍとなりリップルがなくなることがわかる。
【００７６】
また、実施の形態４では、４キャビティ構造において、第２のキャビティ層より基板側に向かって６層目、１２層目、２２層目、３４層目、および４０層目の第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた構造となっているが、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間の第１の光学媒質層２のうちどの層を第３の光学媒質層５と置き換えても同様の効果が得られる。
【００７７】
また、実施の形態４では、全層数が１７５層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅を得るために適宜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ことは言うまでもない。
【００７８】
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、第１の光学媒質層２として二酸化シリコンを、第２の光学媒質層３として五酸化タンタルを、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄとして二酸化シリコンを形成する。また、第１の光学媒質層の代わりに導入する第３の光学媒質層５としてフッ素化マグネシウムを堆積することによって、形成することが可能である。反応性ガスの流量（分圧）により、屈折率を制御することにより、最適なフィルタ特性を得ることが可能である。
【００７９】
実施の形態５にかかる光学多層膜フィルタは、４キャビティの基本構造を有し、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間および第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ４ｃとの間の第１の光学媒質層２のうちの１層をそれぞれ第１の光学媒質層２よりも低い屈折率を有する第３の光学媒質層５により置き換えた構造である。
【００８０】
具体的構造は、図１５に示すように、基板１上に、第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されており、その上に第４のキャビティ層４ｄが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば３７層積層されており、その上に第３のキャビティ層４ｃが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１９層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されており、その上に第２のキャビティ層４ｂが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１９層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されており、その上に第１のキャビティ層４ａが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されている。したがって、全体で１４９層の多層膜となっている。
【００８１】
基板１としては屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３として屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄとしては第１の光学媒質層２と同様に屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第３の光学媒質層５として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いる。
【００８２】
それぞれの光学膜厚は、設計波長をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２は１８１．０７ｎｍ、第２の光学媒質層３は１１９．２３ｎｍ、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄは３６２．１５ｎｍ、第３の光学媒質層は２６１．８２ｎｍである。
【００８３】
また、図１５においても実施の形態１と同様に、第１の光学媒質層２、第２の光学媒質層３、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄ、および第３の光学媒質層５の屈折率を層の横幅により、模式的に表した。
【００８４】
図１６は、図１５に示した光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す。比較のために、第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層（ＬＬ層）５に置き換えない４キャビティの基本構成のフィルタ特性も合わせて示す。第３の光学媒質層５に置き換えない場合は、フィルタ透過幅は０．１４ｎｍ、クロストーク幅は０．２４ｎｍ、リップルは−１．５ｄＢ程度である。しかし、本実施の形態５における第３の光学媒質層（ＬＬ層）５に置き換えた構造では、フィルタ透過幅は０．１ｎｍ以下、クロストーク幅も０．２ｎｍと狭くなるとともに、リップルも−０．１ｄＢと問題のない値に改善されており、バンドパス特性が大きく向上している。
【００８５】
実施の形態５では、４キャビティ構造において、第１のキャビティ層より基板方向に向かって１８層目および第２のキャビティ層より基板方向に向かって１８層目の第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５にそれぞれ置き換えた構造となっているが、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間および第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間の第１の光学媒質層２のうち、いずれの第１の光学媒質層２とそれぞれ置き換えても同様の効果が得られる。
【００８６】
また、実施の形態５では、全総数が１４９層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅を得るために適宜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ことは言うまでもない。
【００８７】
さらに、実施の形態５では、４キャビティの基本構造において、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間および第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間にそれぞれ第３の光学媒質層５を配置した構造であるが、多層膜の層構造を調整することにより、それ以外のキャビティ層間に第３の光学媒質層５を配置しても同様の効果が得られる。
【００８８】
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、第１の光学媒質層２として五酸化タンタルを、第２の光学媒質層３としてアモルファスシリコンを、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄとして五酸化タンタルを形成し、第１の光学媒質層の代わりに導入する第３の光学媒質層５として例えば二酸化シリコンを堆積することによって、形成することが可能である。反応性ガスの流量（分圧）により、屈折率を制御することにより、最適なフィルタ特性を得ることが可能である。
【００８９】
実施の形態６にかかる光学多層膜フィルタは、５キャビティの基本構造を有し、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間の第１の光学媒質層２のうちの２層、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間の第１の光学媒質層２のうち３層、第３のキャビティ層４ｃと第４のキャビティ層４ｄとの間の第１の光学媒質層２のうち３層、および第４のキャビティ層４ｄと第５のキャビティ層４ｅとの間の第１の光学媒質層２のうち２層を、第１の光学媒質層１より低い屈折率を有する第３の光学媒質層５で置き換えた構造である。
【００９０】
具体的な構造は、図１７に示すように、基板１上に、第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されており、その上に第５のキャビティ層４ｅが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第４のキャビティ層４ｄが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば７層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば７層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば７層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第３のキャビティ層４ｃが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば７層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば７層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば７層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第２のキャビティ層４ｂが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第３の光学媒質層５が形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１１層積層されており、その上に第１のキャビティ層４ａが形成されている。その上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが交互に例えば１７層積層されている。したがって、全体で１７９層の多層膜となっている。
【００９１】
基板１としては屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２としては屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第２の光学媒質層３として屈折率が３．２５の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄ、第５のキャビティ層４ｅとしては第１の光学媒質層２と同様に屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、第３の光学媒質層５としては屈折率が１．９５の窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、または屈折率が１．６３のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、または屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、または屈折率が１．３７のフッ素化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を用いる。
【００９２】
それぞれの光学膜厚は、設計波長をλ₀＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２は１８１．０７ｎｍ、第２の光学媒質層３は１１９．２３ｎｍ、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄ、第５のキャビティ層４ｅは３６２．１５ｎｍ、第３の光学媒質層５は窒化シリコンでは１９８．７２ｎｍ、アルミナでは２３７．７３ｎｍ、二酸化シリコンでは２６１．８２ｎｍ、フッ素化マグネシウムでは２８２．８５ｎｍである。
【００９３】
また、図１７においては、実施の形態１と同様に、第１の光学媒質層２、第２の光学媒質層３、第１のキャビティ層４ａ、第２のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄ、第５のキャビティ層４ｅ、および第３の光学媒質層５の屈折率を層の横幅で模式的に表した。
【００９４】
図１８（ａ）、（ｂ）は、図１７に示した光学多層膜フィルタにおいて、第３の光学媒質層（ＬＬ層）５を屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）とした場合に、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間および第３のキャビティ層４ｃと第４のキャビティ層４ｄとの間の第１の光学媒質層（Ｌ層）２のうちのそれぞれ１層を第３の光学媒質層（ＬＬ層）５に置き換えた場合（２層置き換え）と、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間の第１の光学媒質層２のうち１層、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間の第１の光学媒質層２のうち２層、第３のキャビティ層４ｃと第４のキャビティ層４ｄの間の第１の光学媒質層２のうち２層、第４のキャビティ層４ｄと第５のキャビティ層４ｅの間の第１の光学媒質層２のうち１層をそれぞれ第３の光学媒質層５に置き換えた場合（６層置き換え）と、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間の第１の光学媒質層２のうち２層、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃの間の第１の光学媒質層２のうち３層、第３のキャビティ層４ｃと第４のキャビティ層４ｄとの間の第１の光学媒質層２のうち３層、第４のキャビティ層４ｄと第５のキャビティ層４ｅとの間の第１の光学媒質層２のうち２層を第３の光学媒質層５に置き換えた場合（１０層置き換え）のフィルタ特性を示す。比較のために第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えない５キャビティの基本構成のフィルタ特性も合わせて示す。第３の光学媒質層５に置き換えない場合には、フィルタ透過幅が０．４ｎｍ程度、リップルが−４ｄＢである。それに対し、第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた場合、リップルが大きく改善され、第３の光学媒質層５の層数を１０層にした場合にはリップルがなくなり、かつ、フィルタ透過幅も０．１ｎｍ程度になることがわかる。
【００９５】
図１９（ａ）、（ｂ）に、図１７に示した光学多層膜フィルタ（１０層置き換え）において、第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の屈折率を変化させた場合のフィルタ特性を示す。比較のために第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えない５キャビティの基本構成のフィルタ特性も合わせて示す。第３の光学媒質層５に置き換えない場合は、フィルタ透過幅が０．４ｎｍ程度、リップルが−４ｄＢである。それに対し、第１の光学媒質層２を第３の光学媒質層５に置き換えた場合、リップルが大きく改善し、屈折率を１．３７の媒質により置き換えた場合には、リップルが−０．２ｄＢ以下に抑えられるとともに、フィルタ透過幅も０．１ｎｍ程度になることがわかる。
【００９６】
図２０に、図１７に示した光学多層膜フィルタ（１０層置き換え）において、第３の光学媒質層（ＬＬ層）５の屈折率に対するフィルタ透過幅とクロストーク幅およびリップル強度の変化について示す。図２０によれば、第３の光学媒質層５の屈折率を低くするにしたがって、フィルタ透過幅とクロストーク幅が狭くなることがわかる。さらに、リップル強度も大きく改善し、第３の光学媒質層５の屈折率が１．４８以下の場合に、フィルタ透過幅が０．１ｎｍとなるとともにリップルが許容範囲となることがわかる。
【００９７】
本実施の形態６では、５キャビティ構造において、第１のキャビティ層４ａより基板方向に向かって１２層目と２４層目、第２のキャビティ層４ｂより基板方向に向かって８層目と１６層目と２４層目、第３のキャビティ層４ｃより基板方向に向かって８層目と１６層目と２４層目、および第４のキャビティ層４ｄより基板方向に向かって１２層目と２４層目を第３の光学媒質層５に置き換えた構成について示したが、第１のキャビティ層４ａと第２のキャビティ層４ｂとの間の第１の光学媒質層２のうちのいずれかの２層、第２のキャビティ層４ｂと第３のキャビティ層４ｃとの間のうちのいずれかの３層、第３のキャビティ層４ｃと第４のキャビティ層４ｄとの間のうちのいずれかの３層、および第４のキャビティ層４ｄと第５のキャビティ層４ｅとの間のうちのいずれかの２層をそれぞれ第３の光学媒質層５と置き換えても同様の効果が得られる。
【００９８】
また、実施の形態６では、全層数が１７９層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅を得るために、適宜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ことは言うまでもない。
【００９９】
また、製造方法は、実施の形態１と同様に、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、２つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置し、第１の光学媒質層２として五酸化タンタルを、第２の光学媒質層３としてアモルファスシリコンを、第１のキャビティ層４ａ、第１のキャビティ層４ｂ、第３のキャビティ層４ｃ、第４のキャビティ層４ｄ、第５のキャビティ層４ｅとして五酸化タンタルを形成し、第１の光学媒質層の代わりに導入する第３の光学媒質層５として例えば二酸化シリコンを堆積することによって、形成することが可能である。反応性ガスの流量（分圧）により、屈折率を制御することにより、最適なフィルタ特性を得ることが可能である。
【０１００】
また、実施の形態１から実施の形態６では、２キャビティと３キャビティと４キャビティと５キャビティの構造について示したが、６キャビティなど、それ以外のキャビティの構造についても多層膜の層構造と、適切な第３の光学媒質層５の屈折率を選択することにより、同様の効果が得られる。
さらに、実施の形態１から実施の形態６では、各キャビティ層の光学膜厚をバンドパスフィルタとしての設計波長λに対して、λ／２となる膜厚とした場合についてのみ示したが、各キャビティ層の光学膜厚がλ／２の整数倍となる膜厚であれば同様の効果が得られ、この条件を満たすよう膜厚を厚くすることでフィルタ透過幅をより狭くすることができる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明によれば、フィルタ特性の形状を調整し、またリップルをなくすことにより、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可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１にかかる光学多層膜フィルタの構造を示す断面図である。
【図２】 （ａ）は実施の形態１にかかる光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図３】 実施の形態１にかかる光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層の屈折率に対するフィルタ透過幅／クロストーク幅およびリップル強度の変化を示す説明図である。
【図４】 実施の形態１にかかる光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層の位置に対するフィルタ透過幅およびリップル強度の変化を示す説明図である。
【図５】 電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置の概略図である。
【図６】 電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）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にかかる光学多層膜フィルタの構造を示す断面図である。
【図８】 （ａ）は実施の形態２にかかる光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図９】 実施の形態２にかかる光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層の屈折率に対するフィルタ透過幅／クロストーク幅およびリップル強度の変化を示す説明図である。
【図１０】 実施の形態３にかかる光学多層膜フィルタの構造を示す断面図である。
【図１１】 （ａ）は実施の形態２にかかる光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図１２】 実施の形態４にかかる光学多層膜フィルタの構造を示す断面図である。
【図１３】 （ａ）は実施の形態４にかかる光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図１４】 実施の形態４にかかる光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層の層数に対するフィルタ透過幅／クロストーク幅およびリップル強度の変化を示す説明図である。
【図１５】 実施の形態５にかかる光学多層膜フィルタの構造を示す断面図である。
【図１６】 実施の形態５にかかる光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す説明図である。
【図１７】 実施の形態６にかかる光学多層膜フィルタの構造を示す断面図である。
【図１８】 （ａ）は実施の形態６にかかる光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図１９】 （ａ）は実施の形態６にかかる光学多層膜フィルタのフィルタ特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図２０】 実施の形態６にかかる光学多層膜フィルタにおける第３の光学媒質層の屈折率に対するフィルタ透過幅／クロストーク幅およびリップル強度の関係を示す説明図である。
【図２１】 光学多層膜フィルタの原理を説明するための説明図である。
【図２２】 光学多層膜フィルタを説明するための説明図である。
【図２３】 光学多層膜フィルタの特性における性能を示す説明図である。
【図２４】 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２５】 （ａ）は多層膜フィルタの透過特性を示す図、（ｂ）は（ａ）の横軸の範囲を縮小した図である。
【図２６】 （ａ）は従来のダブルキャビティの多層膜フィルタの透過率特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図２７】 （ａ）は従来のトリプルキャビティの多層膜フィルタの透過率特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図２８】 （ａ）は従来の４キャビティの多層膜フィルタの透過率特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図２９】 （ａ）は従来の５キャビティの多層膜フィルタの透過率特性を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の縦軸の範囲を拡大した図である。
【図３０】 従来の光学多層膜フィルタにおけるキャビティ数に対するフィルタ透過幅／クロストーク幅およびリップル強度の関係を示す説明図である。
【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、４ａ…第１のキャビティ層、４ｂ…第２のキャビティ層、４ｃ…第３のキャビティ層、４ｄ…第４のキャビティ層、４ｅ…第５のキャビティ層、５…第３の光学媒質層、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…光学媒質層、１３…第１の光学媒質層、１４…第２の光学媒質層、１５…第３の光学媒質層、１６…第ｋ−１の光学媒質層、１７…第ｋの光学媒質層。

Claims (1)

1. 第１の光学媒質からなる複数の第１の光学媒質層と、第１の光学媒質層より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる複数の第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、前記第１の光学媒質層または前記第２の光学媒質層からなるキャビティ層を介して接続したマルチキャビティ構成を有する光学多層膜フィルタにおいて、
   前記キャビティ層の間の前記第１の光学媒質層のうち少なくとも１層を、前記第１の光学媒質よりも低い屈折率を有する第３の光学媒質からなる第３の光学媒質層により形成したものであり、
   前記第１の光学媒質層と、前記第２の光学媒質層と、前記第３の光学媒質層とは、これらの光学膜厚がそれぞれ、バンドパスフィルタとしての設計波長λに対して、λ／４となる膜厚を有し、
   前記キャビティ層は、この前記キャビティ層の光学膜厚が、バンドパスフィルタとしての設計波長λに対して、λ／２の整数倍となる膜厚を有する
   ことを特徴とする光学多層膜フィルタ。

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