JP7342390B2 - Optical filter and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、光学フィルター及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、透過域にある入射光(信号光)のみを透過させる機能と、阻止域にある入射光(ノイズ光)を吸収する機能とを兼ね備えた光学フィルター、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical filter and a method for manufacturing the same, and more specifically, the present invention has both a function of transmitting only incident light (signal light) in a transmission range and a function of absorbing incident light (noise light) in a stop range. The present invention relates to an optical filter and a method for manufacturing the same.
屈折率の異なる2種以上の透明材料からなる交互積層膜(いわゆる、「1次元フォトニック結晶」)を含む光学フィルターは、一般に、角度選択フィルター(angle-selective filter、ASF)としての機能と、波長選択フィルター(wavelength-selective filter、WSF)としての機能とを持つ。
ここで、「角度選択フィルター」とは、特定の範囲(透過域)の入射角の光を透過させる機能と、それ以外(阻止域)の入射角の光を反射させる機能とを備えた光学フィルターをいう。
「波長選択フィルター」とは、特定の範囲(透過域)の波長の光を透過させる機能と、それ以外(阻止域)の波長の光を反射させる機能とを備えた光学フィルターをいう。WSFとしては、例えば、バンドパスフィルター、ショートパスフィルター、ロングパスフィルターなどがある。WSFに対して、波長が同一で入射角の異なる複数の光を入射させた場合、入射角の相違は波長の相違と等価であるため、WSFはASFとしても機能する。
Optical filters that include alternately laminated films (so-called "one-dimensional photonic crystals") made of two or more types of transparent materials with different refractive indexes generally function as angle-selective filters (ASF). It also functions as a wavelength-selective filter (WSF).
Here, an "angle selection filter" is an optical filter that has the function of transmitting light with an incident angle within a specific range (transmission range) and the function of reflecting light with an incidence angle outside of that range (stopband). means.
A "wavelength selection filter" refers to an optical filter that has the function of transmitting light with wavelengths within a specific range (transmission range) and the function of reflecting light with wavelengths other than that (stopband). Examples of the WSF include a bandpass filter, shortpass filter, and longpass filter. When a plurality of lights having the same wavelength and different angles of incidence are incident on a WSF, the difference in the angle of incidence is equivalent to the difference in wavelength, so the WSF also functions as an ASF.
ASFとしての機能を有する光学フィルターは、指向性光検出器のS/N向上に利用されている。ASFによりS/Nが向上するのは、特定の方向から入射する信号光は透過して検出器に到達するが、それ以外の方向から入射するノイズ光は反射されるので検出器に到達しないためである。また、WSFとしての機能を有する光学フィルターを光電変換素子の光閉じ込め(light-trapping)に応用することも提案されている。 An optical filter that functions as an ASF is used to improve the S/N of a directional photodetector. ASF improves S/N because signal light incident from a specific direction passes through and reaches the detector, but noise light incident from other directions is reflected and does not reach the detector. It is. It has also been proposed to apply an optical filter that functions as a WSF to light-trapping of photoelectric conversion elements.
例えば、非特許文献1には、表面にバンドパスフィルターが形成され、裏面に拡散反射面が形成されたSi光電変換セルが開示されている。
同文献には、このようなSi光電変換セルに波長1060nmの単色光を入射角8°で入射させると、Siウェハの厚さが僅か45μmであっても、入射光がほぼ完全に吸収される点が開示されている。
For example, Non-Patent
The same document states that when monochromatic light with a wavelength of 1060 nm is incident on such a Si photoelectric conversion cell at an incident angle of 8 degrees, the incident light is almost completely absorbed even if the thickness of the Si wafer is only 45 μm. points are disclosed.
また、非特許文献2には、表面にショートパスフィルターが形成され、裏面に拡散反射面が形成されたc-Si光電変換セルが開示されている。
同文献には、このようなc-Si光電変換セルに対して入射角の変化を伴う単色光を照射する場合において、偏光非感受性の角度選択フィルターとして機能するようにショートパスフィルターを設計すると、高い光閉じ込め効果を発現する点が記載されている。
Furthermore, Non-Patent
The same document states that when a c-Si photoelectric conversion cell is irradiated with monochromatic light that changes the incident angle, a short-pass filter is designed to function as a polarization-insensitive angle-selective filter. It is described that it exhibits a high light confinement effect.
さらに、非特許文献3には、一次元フォトニック結晶を用いた角度選択フィルター(ASF)が開示されている。
同文献には、特定波長に対するASFは、太陽光励起レーザーなどの単色光照射用光電変換素子の変換効率向上や、指向性センサーのノイズ低減、感度向上、発光素子の指向性向上に利用できる点が記載されている。
Furthermore, Non-Patent
The document states that ASF for a specific wavelength can be used to improve the conversion efficiency of photoelectric conversion elements for monochromatic light irradiation such as solar pumped lasers, to reduce noise and improve sensitivity of directional sensors, and to improve directivity of light emitting elements. Are listed.
ASF又はWSFとしての機能を有する光学フィルターを検出器のS/N比向上に利用した場合、光学フィルターにより反射されたノイズ光が、検出器の周辺に存在する部材(例えば、検出器が設置された装置の筐体、光学窓など)でさらに反射されて迷光となり、迷光が検出器に到達してノイズ増大の原因となりうる。特に、装置を小型化すると、迷光の影響を受けやすくなる。しかしながら、信号光の透過を妨げることなく、ノイズ光の影響を低減することが可能な光学フィルターが提案された例は、従来にはない。 When an optical filter that functions as an ASF or WSF is used to improve the S/N ratio of a detector, the noise light reflected by the optical filter may be absorbed by components around the detector (for example, when the detector is installed). (e.g., the device housing, optical window, etc.) and becomes stray light, which may reach the detector and cause an increase in noise. In particular, as devices become smaller, they become more susceptible to stray light. However, there has never been an example of an optical filter proposed that can reduce the influence of noise light without interfering with the transmission of signal light.
さらに、このような機能を安定して得るためには、光学フィルターを構成する各層の厚さを精密に制御する必要がある。しかしながら、光学フィルターを構成する各層の厚さは、数nm程度であり、極めて薄い。一般に、薄膜の光学特性は、厚さの僅かなずれや材料自体の光学特性の僅かなずれに著しく影響される。そのため、所望の特性の光学フィルターを安定して作製することは容易ではない。 Furthermore, in order to stably obtain such functions, it is necessary to precisely control the thickness of each layer constituting the optical filter. However, the thickness of each layer constituting the optical filter is approximately several nm, which is extremely thin. Generally, the optical properties of a thin film are significantly affected by a slight deviation in thickness or a slight deviation in the optical properties of the material itself. Therefore, it is not easy to stably produce an optical filter with desired characteristics.
本発明が解決しようとする課題は、透過域にある入射光(信号光)のみを透過させる機能と、阻止域にある入射光(ノイズ光)を吸収する機能とを兼ね備えた新規な光学フィルターを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、光学フィルターを構成する各層の厚さが変動した場合であっても、このような機能を安定して得ることが可能な光学フィルター、及びその製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to develop a novel optical filter that has both the function of transmitting only incident light (signal light) in the transmission range and the function of absorbing incident light (noise light) in the stopband. It is about providing.
Further, another problem to be solved by the present invention is to provide an optical filter that can stably obtain such a function even when the thickness of each layer constituting the optical filter changes, and the like. The purpose is to provide a manufacturing method.
上記課題を解決するために本発明に係る光学フィルターは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記光学フィルターは、
屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層膜を含むフィルター層と、
前記フィルター層の入射面側に形成された光吸収層と
を備え、
前記フィルター層は、入射光の内、前記フィルター層の透過域にある光(信号光)を透過させるためのものからなり、
前記光吸収層は、前記入射光の内、前記フィルター層の阻止域にある光(ノイズ光)を吸収するためのものからなる。
(2)前記光吸収層は、次の式(1)を満たす光吸収材料からなる。
πkA/nA≧1 ・・・(1)
但し、
nAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の屈折率、
kAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の消衰係数。
In order to solve the above problems, the optical filter according to the present invention has the following configuration.
(1) The optical filter is
a filter layer including alternately laminated films made of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes;
and a light absorption layer formed on the incident surface side of the filter layer,
The filter layer is configured to transmit light (signal light) in a transmission range of the filter layer among the incident light,
The light absorption layer is made of a layer for absorbing light (noise light) that is in a blocking range of the filter layer, out of the incident light.
(2) The light absorption layer is made of a light absorption material that satisfies the following formula (1).
πk A /n A ≧1 ... (1)
however,
n A is the refractive index of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light;
k A is an extinction coefficient of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light.
前記光吸収材料は、
(a)遷移金属(A)、
(b)遷移金属(B)と透明材料(B)とを含むサーメット、又は、
(c)加熱により前記消衰係数を不可逆的に変化させることが可能な材料、
が好ましい。
また、前記光吸収材料は、Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4、GeSb4Te7、及び、AgInSbTe系光記録材料からなる群から選ばれるいずれか1以上が好ましい。
The light absorbing material is
(a) transition metal (A),
(b) a cermet containing a transition metal (B) and a transparent material (B), or
(c) a material capable of irreversibly changing the extinction coefficient by heating;
is preferred.
Further, the light absorbing material is preferably one or more selected from the group consisting of Ge 2 Sb 2 Te 5 , GeSb 2 Te 4 , GeSb 4 Te 7 , and AgInSbTe-based optical recording materials.
本発明に係る光学フィルターの製造方法は、
屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層を含むフィルター層の入射面側に、加熱により消衰係数を不可逆的に変化させることが可能な光吸収材料を含む光吸収層が形成された積層体を作製する積層体作製工程と、
前記積層体を熱処理することにより前記積層体のフィルター特性を調節し、本発明に係る光学フィルターを得る熱処理工程と
を備えている。
The method for manufacturing an optical filter according to the present invention includes:
A light-absorbing layer containing a light-absorbing material whose extinction coefficient can be irreversibly changed by heating on the entrance surface side of a filter layer including alternately laminated layers of two or more transparent materials (A) having different refractive indexes. A laminate production step of producing a laminate in which
and a heat treatment step of adjusting the filter characteristics of the laminate by heat-treating the laminate to obtain an optical filter according to the present invention.
屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層膜は、角度選択フィルターとしての機能を持つ。このような交互積層膜を含むフィルター層に光を入射させると、異種材料間の界面において光の反射が繰り返される。その結果、フィルター層内の光強度(あるいは、入射光の電場振幅)は、一様とはならず、深さ方向に沿って周期的に変動する。また、光強度の分布は、光の入射角によっても変化する。 An alternately laminated film made of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes has a function as an angle selection filter. When light is incident on a filter layer including such alternately laminated films, the light is repeatedly reflected at the interface between different materials. As a result, the light intensity (or the electric field amplitude of the incident light) within the filter layer is not uniform and varies periodically along the depth direction. Furthermore, the distribution of light intensity also changes depending on the angle of incidence of light.
このようなフィルター層の入射面側に所定の条件を満たす光吸収層を形成した場合において、透過域にある入射光(信号光)を照射した時には、入射面の近傍(すなわち、光吸収層が設置された位置の近傍)での光強度が弱くなる。その結果、信号光は、光吸収層に吸収されることなく、そのまま光吸収層を透過する割合が大きくなる。
一方、阻止域にある入射光(ノイズ光)を照射した時には、入射面の近傍での光強度が強くなる。その結果、ノイズ光は、光吸収層に吸収される割合が大きくなる。
そのため、このような光学フィルターを指向性光検出器などに適用すると、信号光の透過を著しく妨げることなく、ノイズ光の影響を低減することができる。
When a light absorption layer that satisfies predetermined conditions is formed on the entrance surface side of such a filter layer, when the incident light (signal light) in the transmission region is irradiated, the light absorption layer near the entrance surface (that is, the light absorption layer (near the installed position) the light intensity becomes weaker. As a result, a large proportion of the signal light passes through the light absorption layer without being absorbed by the light absorption layer.
On the other hand, when incident light (noise light) in the stop band is irradiated, the light intensity near the incident surface increases. As a result, the proportion of noise light absorbed by the light absorption layer increases.
Therefore, when such an optical filter is applied to a directional photodetector or the like, the influence of noise light can be reduced without significantly interfering with the transmission of signal light.
さらに、このような光学フィルターを作製する場合において、光吸収層の厚さに誤差が生じると、所望の光学特性が得られない場合がある。これに対し、光吸収層を構成する光吸収材料として、加熱により消衰係数を不可逆的に変化させることが可能な材料を用いると、成膜時に光吸収層の厚さに誤差が生じた場合であっても、厚さの誤差を熱処理により補償することができる。そのため、所望の特性を有する光学フィルターを高い歩留まりで製造することができる。 Furthermore, when producing such an optical filter, if an error occurs in the thickness of the light absorption layer, desired optical characteristics may not be obtained. On the other hand, if a material whose extinction coefficient can be irreversibly changed by heating is used as the light-absorbing material constituting the light-absorbing layer, an error may occur in the thickness of the light-absorbing layer during film formation. Even if it is, the thickness error can be compensated for by heat treatment. Therefore, optical filters having desired characteristics can be manufactured with high yield.
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 光学フィルター]
本発明に係る光学フィルターは、以下の構成を備えている。
(1)前記光学フィルターは、
屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層膜を含むフィルター層と、
前記フィルター層の入射面側に形成された光吸収層と
を備え、
前記フィルター層は、入射光の内、前記フィルター層の透過域にある光(信号光)を透過させるためのものからなり、
前記光吸収層は、前記入射光の内、前記フィルター層の阻止域にある光(ノイズ光)を吸収するためのものからなる。
(2)前記光吸収層は、次の式(1)を満たす光吸収材料からなる。
πkA/nA≧1 ・・・(1)
但し、
nAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の屈折率、
kAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の消衰係数。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Optical filter]
The optical filter according to the present invention has the following configuration.
(1) The optical filter is
a filter layer including alternately laminated films made of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes;
and a light absorption layer formed on the incident surface side of the filter layer,
The filter layer is configured to transmit light (signal light) in a transmission range of the filter layer among the incident light,
The light absorption layer is made of a layer for absorbing light (noise light) that is in a blocking range of the filter layer, out of the incident light.
(2) The light absorption layer is made of a light absorption material that satisfies the following formula (1).
πk A /n A ≧1 ... (1)
however,
n A is the refractive index of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light;
k A is an extinction coefficient of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light.
[1.1. 入射光]
入射光の内、フィルター層の透過域にある光の全部又は一部は、信号光としてフィルター層を透過する。一方、入射光の内、フィルター層の阻止域にある光の全部又は一部は、ノイズ光として光吸収層に吸収される。
本発明において、入射光は、特に限定されない。すなわち、入射光は、単色光でも良く、あるいは、白色光でも良い。本発明に係る光学フィルターを単色光入射用の光デバイスに適用すると、光デバイスの光学特性(例えば、感度、信号光強度、指向性など)を著しく低下させることなく、S/N比を向上させることができる。
ここで、「単色光」とは、中心波長がλ0であり、かつ、中心波長λ0に対するスペクトルの半値半幅(Δλ/2)の比(=Δλ/2λ0)が0.001以下である光をいう。Δλ/2λ0が0.001以下であれば、後述する図26に示されるように、透過域/阻止域のずれは僅かである。
[1.1. Incident light]
Of the incident light, all or part of the light in the transmission range of the filter layer is transmitted through the filter layer as signal light. On the other hand, all or a part of the light in the blocking zone of the filter layer among the incident light is absorbed by the light absorption layer as noise light.
In the present invention, incident light is not particularly limited. That is, the incident light may be monochromatic light or white light. When the optical filter according to the present invention is applied to an optical device for inputting monochromatic light, the S/N ratio can be improved without significantly reducing the optical characteristics (e.g., sensitivity, signal light intensity, directivity, etc.) of the optical device. be able to.
Here, "monochromatic light" means that the center wavelength is λ 0 and the ratio of the half width at half maximum (Δλ/2) of the spectrum to the center wavelength λ 0 (=Δλ/2λ 0 ) is 0.001 or less. It refers to light. If Δλ/2λ 0 is 0.001 or less, as shown in FIG. 26, which will be described later, the shift between the transmission region and the blocking region is slight.
以下の説明では入射光が単色光である場合を想定し、「入射光の波長」は、中心波長λ0を指す。
一方、透過域/阻止域は入射光の波長に依存する。入射光が非単色光である場合において、本発明に係る光学フィルターの特性を求める際には、これを各波長成分に分けて、即ち単色光の重ね合わせと考えれば良い。即ち、入射光の各単色光成分毎に透過率を求め、その成分の比率を掛けたものの総和が入射光全体の透過率である。反射率、吸収率も同様にして求められる。従って、波長成分の範囲が広がるにつれて透過域の透過率は低く、阻止域の吸収率は低くなるが、要求される透過域/阻止域と各領域での透過率、反射率、吸収率の値によっては角度選択フィルターとして用いることができる。また、特定の波長領域の入射光は角度に依存して透過/吸収、それ以外の波長の入射光は角度に依らず透過(又は吸収)するようなフィルターを構成することもできる。
In the following description, it is assumed that the incident light is monochromatic light, and the "wavelength of the incident light" refers to the center wavelength λ 0 .
On the other hand, the transmission range/stopping range depends on the wavelength of incident light. When the incident light is non-monochromatic light, when determining the characteristics of the optical filter according to the present invention, it is sufficient to divide it into each wavelength component, that is, to consider it as a superposition of monochromatic light. That is, the transmittance of each monochromatic light component of the incident light is calculated, and the sum of the products multiplied by the ratio of the components is the transmittance of the entire incident light. Reflectance and absorptance are also determined in the same manner. Therefore, as the range of wavelength components widens, the transmittance in the pass band becomes lower and the absorbance in the stop band becomes lower, but the required pass band/stop band and the values of transmittance, reflectance, and absorbance in each region are In some cases, it can be used as an angle selection filter. It is also possible to configure a filter that transmits/absorbs incident light in a specific wavelength range depending on the angle, and transmits (or absorbs) incident light in other wavelengths regardless of the angle.
[1.2. フィルター層]
[1.2.1. 定義]
フィルター層は、屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層膜(いわゆる、「1次元フォトニック結晶」)を含む。交互積層膜を含むフィルター層は、通常、入射光に対して波長選択フィルターとしての機能を有する。また、波長選択フィルターとして機能するフィルター層は、通常、角度選択フィルターとしての機能も併せ持つ。
ここで、「波長選択フィルター(WSF)」とは、特定の範囲(透過域)の波長の光を透過させる機能と、それ以外(阻止域)の波長の光を反射させる機能とを備えたものをいう。
「角度選択フィルター(ASF)」とは、特定の範囲(透過域)の入射角の光を透過させる機能と、それ以外(阻止域)の入射角の光を反射させる機能とを備えた光学フィルターをいう。
[1.2. Filter layer]
[1.2.1. Definition]
The filter layer includes alternately laminated films (so-called "one-dimensional photonic crystal") made of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes. A filter layer including alternately laminated films usually functions as a wavelength selective filter for incident light. Furthermore, the filter layer that functions as a wavelength selection filter usually also functions as an angle selection filter.
Here, a "wavelength selective filter (WSF)" is a filter that has the function of transmitting light with wavelengths in a specific range (transmission range) and the function of reflecting light with wavelengths other than that (stopband). means.
An "Angle Selective Filter (ASF)" is an optical filter that has the function of transmitting light with an incident angle within a specific range (transmission range) and reflecting light with an incident angle other than that range (stopband). means.
WSFとしては、例えば、バンドパスフィルター(bandpass filter、BPF)、ショートパスフィルター(shortpass filter、SPF)、ロングパスフィルター(longpass filter、LPF)などがある。本発明において、フィルター層には、フィルターの透過域/阻止域に応じて、これらのいずれかを用いることができる。 Examples of the WSF include a bandpass filter (BPF), a shortpass filter (SPF), and a longpass filter (LPF). In the present invention, any of these can be used for the filter layer depending on the transmission range/inhibition range of the filter.
ここで、「バンドパスフィルター(BPF)」とは、透過域内の波長の光を透過させる機能と、透過域より短波長の光及び長波長の光を反射させる機能とを備えた光学フィルターをいう。
「ショートパスフィルター(SPF)」とは、閾値よりも短波長の光を透過させる機能と、閾値よりも長波長の光を反射させる機能とを備えた光学フィルターをいう。
「ロングパスフィルター(LPF)」とは、閾値よりも長波長の光を透過させる機能と、閾値よりも短波長の光を反射させる機能とを備えた光学フィルターをいう。
Here, the term "bandpass filter (BPF)" refers to an optical filter that has the function of transmitting light with wavelengths within the transmission range and the function of reflecting light with wavelengths shorter and longer than the transmission range. .
"Short pass filter (SPF)" refers to an optical filter that has the function of transmitting light with a wavelength shorter than a threshold value and the function of reflecting light with a longer wavelength than a threshold value.
A "long pass filter (LPF)" refers to an optical filter that has a function of transmitting light with a wavelength longer than a threshold value and a function of reflecting light with a wavelength shorter than the threshold value.
[1.2.2. フィルター層の構造]
フィルター層は、屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)の交互積層膜を含む。この時、各層の材料(屈折率)、各層の厚さ、各層の積層順序などを制御すると、透過させる光の波長を変化させることができる。
[1.2.2. Structure of filter layer]
The filter layer includes alternately laminated films of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes. At this time, by controlling the material (refractive index) of each layer, the thickness of each layer, the lamination order of each layer, etc., the wavelength of the light to be transmitted can be changed.
WSFの基本構成要素は、
(a)屈折率がnH4であり、光学厚さnH4dH4(dH4は、実厚さ)がλ/4(λは、入射光の波長)に比例する高屈折率層(H4)、
(b)屈折率がnH2であり、光学厚さnH2dH2(dH2は、実厚さ)がλ/2に比例する高屈折率層(H2)、
(c)屈折率がnL4(<nH4、nH2)であり、光学厚さnL4dL4(dL4は、実厚さ)がλ/4に比例する低屈折率層(L4)、及び、
(d)屈折率がnL2(<nH4、nH2)であり、光学厚さnL2dL2(dL2は、実厚さ)がλ/2に比例する低屈折率層(L2)
である。入射角θの場合、WSFを構成する各層の光学厚さndの条件は、nd=(1-sin2θ/n2)1/2×(λ/4 or λ/2)となる。
The basic components of WSF are:
(a) High refractive index layer ( H4) whose refractive index is n H4 and whose optical thickness n H4 d H4 (d H4 is the actual thickness) is proportional to λ/4 (λ is the wavelength of the incident light) ,
(b) a high refractive index layer (H2) whose refractive index is n H2 and whose optical thickness n H2 d H2 (d H2 is the actual thickness) is proportional to λ/2;
(c) a low refractive index layer (L4) whose refractive index is n L4 (<n H4 , n H2 ) and whose optical thickness n L4 d L4 (d L4 is the actual thickness) is proportional to λ/4; as well as,
(d) A low refractive index layer (L2) whose refractive index is n L2 (<n H4 , n H2 ) and whose optical thickness n L2 d L2 (d L2 is the actual thickness) is proportional to λ/2.
It is. In the case of the incident angle θ, the condition for the optical thickness nd of each layer constituting the WSF is nd=(1−sin 2 θ/n 2 ) 1/2 ×(λ/4 or λ/2).
BPFの基本構造は、H4とL4とを交互に積層したブラッグ反射鏡により、共振器長を決めるL2又はH2を挟んだ構造である。各層の光学厚さを決める際に用いる波長λには、透過域の中心波長が用いられる。ブラッグ反射鏡は、基本的にはH4とL4からなるが、少なくとも最表面層及び基板に接する層については、透過域でのリップルが低減されるように、厚さを最適な値に変更するのが好ましい。 The basic structure of the BPF is such that L2 or H2, which determines the resonator length, is sandwiched between Bragg reflectors in which H4 and L4 are alternately stacked. The wavelength λ used in determining the optical thickness of each layer is the center wavelength of the transmission region. The Bragg reflector basically consists of H4 and L4, but the thickness of at least the outermost layer and the layer in contact with the substrate is changed to an optimal value so that ripples in the transmission region are reduced. is preferred.
SPFの基本構造は、H4とL4とを交互に積層したブラッグ反射鏡である。ブラッグ反射鏡を構成する各層の平均厚さや積層数を制御すると、SPFとして機能するフィルター層が得られる。各層の光学厚さを決める際の波長λには、閾値波長よりも長い波長(例えば、閾値波長の1.1倍)が用いられる。各層の厚さは必ずしも同一である必要はなく、むしろ閾値波長が目的とする波長となり、かつ透過域でのリップルが低減されるように、高屈折率層及び/又は低屈折率層の厚さを最適化するのが好ましい。 The basic structure of the SPF is a Bragg reflector in which H4 and L4 are alternately stacked. By controlling the average thickness and number of laminated layers of each layer constituting the Bragg reflector, a filter layer that functions as an SPF can be obtained. A wavelength longer than the threshold wavelength (for example, 1.1 times the threshold wavelength) is used as the wavelength λ when determining the optical thickness of each layer. The thickness of each layer does not necessarily have to be the same, but rather the thickness of the high refractive index layer and/or the low refractive index layer such that the threshold wavelength is the desired wavelength and the ripple in the transmission region is reduced. It is preferable to optimize.
LPFの基本構造は、SPFと同様に、H4とL4とを交互に積層したブラッグ反射鏡である。ブラッグ反射鏡を構成する各層の平均厚さや積層数を制御すると、LPFとして機能するフィルター層が得られる。各層の光学厚さを決める際の波長λには、閾値波長よりも短い波長(例えば、閾値波長の0.86倍)が用いられる。各層の厚さは必ずしも同一である必要はなく、むしろ閾値波長が目的とする波長となり、かつ透過域でのリップルが低減されるように、高屈折率層及び/又は低屈折率層の厚さを最適化するのが好ましい。 The basic structure of the LPF is a Bragg reflector in which H4 and L4 are alternately stacked, similar to the SPF. By controlling the average thickness and number of laminated layers of each layer constituting the Bragg reflector, a filter layer that functions as an LPF can be obtained. A wavelength shorter than the threshold wavelength (for example, 0.86 times the threshold wavelength) is used as the wavelength λ when determining the optical thickness of each layer. The thickness of each layer does not necessarily have to be the same, but rather the thickness of the high refractive index layer and/or the low refractive index layer such that the threshold wavelength is the desired wavelength and the ripple in the transmission region is reduced. It is preferable to optimize.
[1.2.3. フィルター層の材料]
WSFを構成する材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。また、WSFに含まれる各高屈折率層は、WSFとして機能する限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。同様に、WSFに含まれる各低屈折率層は、WSFとして機能する限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。
低屈折率材料としては、例えば、MgF2(波長905nmの屈折率:約1.36)、SiO2(波長905nmの屈折率:約1.47)などがある。
高屈折率材料としては、例えば、ZnS(波長905nmの屈折率:約2.30)、TiO2(波長905nmの屈折率:約2.299)などがある。
[1.2.3. Filter layer material]
The material constituting the WSF is not particularly limited, and various materials can be used depending on the purpose. Further, each high refractive index layer included in the WSF may be made of the same material or may be made of different materials as long as it functions as a WSF. Similarly, each low refractive index layer included in the WSF may be made of the same material or may be made of different materials as long as they function as a WSF.
Examples of low refractive index materials include MgF 2 (refractive index at a wavelength of 905 nm: approximately 1.36) and SiO 2 (refractive index at a wavelength of 905 nm: approximately 1.47).
Examples of high refractive index materials include ZnS (refractive index at a wavelength of 905 nm: approximately 2.30) and TiO 2 (refractive index at a wavelength of 905 nm: approximately 2.299).
[1.3. 光吸収層]
[1.3.1. 定義]
「光吸収層」とは、フィルター層の透過域にある入射光(信号光)を透過させる機能と、フィルター層の阻止域にある入射光(ノイズ光)を吸収する機能とを備えた層をいう。光吸収層は、ノイズ光を吸収することが可能な光吸収材料からなり、フィルター層の入射面側に形成される。
[1.3. Light absorption layer]
[1.3.1. Definition]
A "light absorption layer" is a layer that has the function of transmitting incident light (signal light) in the transmission range of the filter layer and the function of absorbing incident light (noise light) in the rejection range of the filter layer. say. The light absorption layer is made of a light absorption material capable of absorbing noise light, and is formed on the incident surface side of the filter layer.
[1.3.2. 光吸収層の複素屈折率]
光吸収層においてノイズ光を効率良く吸収するためには、光吸収層の複素屈折率(n+ik)は、少なくとも次の式(1)を満たしている必要がある。
πkA/nA≧1 ・・・(1)
但し、
nAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の屈折率、
kAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の消衰係数。
[1.3.2. Complex refractive index of light absorption layer]
In order to efficiently absorb noise light in the light absorption layer, the complex refractive index (n+ik) of the light absorption layer needs to satisfy at least the following formula (1).
πk A /n A ≧1 ... (1)
however,
n A is the refractive index of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light;
k A is an extinction coefficient of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light.
屈折率nAに比べて消衰係数kAが過度に小さくなると、ノイズ光が光吸収層に吸収されることなく、そのまま透過する割合が大きくなる。ノイズ光を十分に吸収するためには、πkA/nAは、1以上である必要がある。 When the extinction coefficient k A becomes excessively small compared to the refractive index n A , a large proportion of noise light is transmitted as is without being absorbed by the light absorption layer. In order to sufficiently absorb noise light, πk A /n A needs to be 1 or more.
[1.3.3. 光吸収層の形成位置]
光吸収層は、フィルター層の入射面側に形成される。「入射面側」とは、信号光を透過させ、かつ、ノイズ光を吸収することが可能な位置を表し、必ずしも、フィルター層の最表面を意味しない。すなわち、光吸収層は、フィルター層の最表面に形成されていても良く、あるいは、ノイズ光を吸収することが可能な限りにおいて、フィルター層の内部に形成されていても良い。
[1.3.3. Formation position of light absorption layer]
The light absorption layer is formed on the incident surface side of the filter layer. "Incidence surface side" refers to a position where signal light can be transmitted and noise light can be absorbed, and does not necessarily mean the outermost surface of the filter layer. That is, the light absorption layer may be formed on the outermost surface of the filter layer, or may be formed inside the filter layer as long as it can absorb noise light.
ノイズ光を効率良く吸収するためには、光吸収層は、その形成位置に関して、次の式(2)を満たしているのが好ましい。
0≦Σnidi≦1.5λ ・・・(2)
但し、
diは、前記光吸収層の上に形成された第i表面層(iはゼロ以上の整数)の実厚さ、
niは、前記第i表面層に前記入射光が照射された時の前記第i表面層の屈折率、
λは、前記入射光の波長。
In order to efficiently absorb noise light, it is preferable that the light absorption layer satisfies the following formula (2) regarding its formation position.
0≦Σn i d i ≦1.5λ (2)
however,
d i is the actual thickness of the i-th surface layer (i is an integer greater than or equal to zero) formed on the light absorption layer,
n i is the refractive index of the i-th surface layer when the i-th surface layer is irradiated with the incident light;
λ is the wavelength of the incident light.
光吸収層は、フィルター層の最表面に形成されていても良い。すなわち、第i表面層の実厚さdi(又は、表面層の数i)は、ゼロでも良い。この場合、ノイズ光の反射率は低いが、光吸収層に傷が付きやすくなる。高い耐久性を得るためには、第i表面層の実厚さの総和Σdiは、好ましくは、10nm以上、さらに好ましくは、50nm以上である。
一方、光吸収層の上に表面層を形成すると、光吸収層に傷が付き難くなり、光吸収層の厚さの制御も容易化する。しかし、表面層の厚さが厚くなりすぎると、ノイズ光が反射されやすくなる。従って、Σnidiは、1.5λ以下が好ましい。Σnidiは、好ましくは、1.1λ以下、さらに好ましくは、0.6λ以下である。
The light absorption layer may be formed on the outermost surface of the filter layer. That is, the actual thickness d i of the i-th surface layer (or the number i of surface layers) may be zero. In this case, although the reflectance of noise light is low, the light absorption layer is easily damaged. In order to obtain high durability, the total actual thickness Σd i of the i-th surface layer is preferably 10 nm or more, more preferably 50 nm or more.
On the other hand, when a surface layer is formed on the light absorption layer, the light absorption layer is less likely to be damaged and the thickness of the light absorption layer can be easily controlled. However, if the surface layer becomes too thick, noise light is likely to be reflected. Therefore, Σn i d i is preferably 1.5λ or less. Σn i d i is preferably 1.1λ or less, more preferably 0.6λ or less.
なお、表面層を構成する材料は、少なくとも透明(消衰係数k=0)な材料であれば良い。表面層は、フィルター層の一部でもあるので、フィルター層と同様の高屈折率材料及び/又は低屈折率材料を用いるのが好ましい。
また、表面層は、高屈折率層のみ、低屈折率層のみ、あるいは、高屈折率層/低屈折率層/高屈折率層のような奇数層であっても良い。但し、設計を容易にするためには、表面層は、(高屈折率層/低屈折率層)の整数倍からなる層で構成されているのが好ましい。
さらに、各第i表面層の実厚さdi(又は、光学厚さnidi)は、WSFを構成するH4又はL4と同様であっても良く、あるいは、光吸収層での光強度が最大となるように、各第i表面層の実厚さdiを最適化しても良い。
Note that the material constituting the surface layer may be at least transparent (extinction coefficient k=0). Since the surface layer is also a part of the filter layer, it is preferable to use the same high refractive index material and/or low refractive index material as the filter layer.
Further, the surface layer may be only a high refractive index layer, only a low refractive index layer, or an odd number of layers such as a high refractive index layer/low refractive index layer/high refractive index layer. However, in order to facilitate design, it is preferable that the surface layer is composed of an integral multiple of (high refractive index layer/low refractive index layer).
Further, the actual thickness d i (or optical thickness n i d i ) of each i-th surface layer may be the same as H4 or L4 constituting the WSF, or the light intensity at the light absorption layer The actual thickness d i of each i-th surface layer may be optimized so that d i is maximized.
[1.3.4. 光吸収層の実厚さ]
光吸収層の実厚さ(dA)は、信号光の透過率及びノイズ光の吸収率に影響を与える。信号光の高い透過率と、ノイズ光の高い吸収率とを両立させるためには、光吸収層は、その実厚さに関して、次の式(3)を満たしているのが好ましい。
0.005≦πkAdA/(nA・λ)≦0.2 ・・・(3)
但し、dAは、前記光吸収層の実厚さ、λは、前記入射光の波長。
[1.3.4. Actual thickness of light absorption layer]
The actual thickness (d A ) of the light absorption layer affects the transmittance of signal light and the absorption rate of noise light. In order to achieve both high transmittance of signal light and high absorption of noise light, it is preferable that the light absorption layer satisfies the following formula (3) with respect to its actual thickness.
0.005≦πk A d A /(n A・λ)≦0.2 (3)
However, dA is the actual thickness of the light absorption layer, and λ is the wavelength of the incident light.
dAが相対的に薄くなりすぎると、ノイズ光(阻止域)の吸収率が低下する。従って、πkAdA/(nA・λ)は、0.005以上が好ましい。πkAdA/nAは、好ましくは、0.007以上である。
一方、dAが相対的に厚くなりすぎると、信号光(透過域)の透過率が低下する。従って、πkAdA/(nA・λ)は、0.2以下が好ましい。πkAdA/(nA・λ)は、好ましくは、0.1以下、さらに好ましくは、0.015以下である。
If dA becomes relatively too thin, the absorption rate of noise light (stopping band) will decrease. Therefore, πk A d A /(n A ·λ) is preferably 0.005 or more. πk A d A /n A is preferably 0.007 or more.
On the other hand, if dA becomes relatively too thick, the transmittance of the signal light (transmission range) decreases. Therefore, πk A d A /(n A ·λ) is preferably 0.2 or less. πk A d A /(n A ·λ) is preferably 0.1 or less, more preferably 0.015 or less.
[1.3.5. 光吸収材料]
光吸収材料の種類は、上述した条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。上述した条件を満たす光吸収材料としては、例えば、
(a)1種又は2種以上の遷移金属(A)、
(b)遷移金属(B)と透明材料(B)とを含むサーメット、
(c)加熱により消衰係数を不可逆的に変化させることが可能な材料(以下、「相変化材料」ともいう)、
などがある。
[1.3.5. Light absorbing material]
The type of light-absorbing material is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned conditions. Examples of light-absorbing materials that meet the above conditions include:
(a) one or more transition metals (A),
(b) a cermet containing a transition metal (B) and a transparent material (B);
(c) a material whose extinction coefficient can be irreversibly changed by heating (hereinafter also referred to as "phase change material");
and so on.
[A. 遷移金属(A)]
光吸収層が遷移金属(A)からなる場合、光吸収層は、次の式(11)~式(13)を満たすものが好ましい。
1≦nA1
* ・・・(11)
1≦kA1
* ・・・(12)
|nA1
*-kA1
*|≦4 ・・・(13)
但し、
nA1
*=905nA1/λ、kA1
*=905kA1/λ、λは、前記入射光の波長(nm)、
nA1は、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の屈折率、
kA1は、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の消衰係数。
[A. Transition metal (A)]
When the light absorption layer is made of a transition metal (A), the light absorption layer preferably satisfies the following formulas (11) to (13).
1≦n A1 *・・・(11)
1≦k A1 *・・・(12)
|n A1 * -k A1 * |≦4 ...(13)
however,
n A1 * = 905n A1 /λ, k A1 * = 905k A1 /λ, λ is the wavelength (nm) of the incident light,
n A1 is the refractive index of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light;
k A1 is an extinction coefficient of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light.
nA1 *及びkA1 *は、それぞれ、光吸収層の屈折率nA1及び消衰係数kA1を入射光の波長λにより規格化した値を表す。式(11)~式(13)は、光吸収層が遷移金属(A)からなる場合において、特性が優れている範囲を表す。これらの内、式(12)は、光吸収層内における光強度の減衰が十分に大きい条件と解釈することができる。また、式(11)及び式(13)は、反射よりも吸収が勝る条件であると解釈することができる。 n A1 * and k A1 * represent values obtained by normalizing the refractive index n A1 and extinction coefficient k A1 of the light absorption layer by the wavelength λ of the incident light, respectively. Formulas (11) to (13) represent the range in which the properties are excellent when the light absorption layer is made of a transition metal (A). Among these, equation (12) can be interpreted as a condition that the attenuation of the light intensity within the light absorption layer is sufficiently large. Furthermore, equations (11) and (13) can be interpreted as conditions in which absorption is superior to reflection.
上述した条件を満たす遷移金属(A)としては、例えば、Cr、Ti、W、Ni、Coなどがある。光吸収層は、これらのいずれか1種の遷移金属(A)を含むものでも良く、あるいは、2種以上の遷移金属(A)を含むものでも良い。
2種以上の遷移金属(A)を含む光吸収層としては、例えば、単一相からなる合金、2種以上の相の混相からなる合金などがある。
Examples of transition metals (A) that satisfy the above-mentioned conditions include Cr, Ti, W, Ni, and Co. The light absorption layer may contain any one of these transition metals (A), or may contain two or more of these transition metals (A).
Examples of the light absorption layer containing two or more types of transition metals (A) include an alloy consisting of a single phase, an alloy consisting of a mixed phase of two or more types, and the like.
[B. サーメット]
光吸収層がサーメットからなる場合、光吸収層は、次の式(14)~式(15)を満たすものが好ましい。
2≦nA2
*≦3.5 ・・・(14)
(nA2
*-1)/3≦kA2
* ・・・(15)
但し、
nA2
*=905nA2/λ、kA2
*=905kA2/λ、λは、前記入射光の波長(nm)、
nA2は、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の屈折率、
kA2は、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の消衰係数。
[B. cermet]
When the light absorption layer is made of cermet, the light absorption layer preferably satisfies the following formulas (14) to (15).
2≦n A2 * ≦3.5 ... (14)
(n A2 * -1)/3≦k A2 * ...(15)
however,
n A2 * =905n A2 /λ, k A2 * =905k A2 /λ, λ is the wavelength (nm) of the incident light,
n A2 is the refractive index of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light;
k A2 is an extinction coefficient of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light.
nA2 *及びkA2 *は、それぞれ、光吸収層の屈折率nA2及び消衰係数kA2を入射光の波長λにより規格化した値を表す。式(14)~式(15)は、光吸収層がサーメットからなる場合において、特性が優れている範囲を表す。これらの内、式(15)及び式(14)の中のnA2 *≦3.5は、光吸収層内における光強度の減衰が十分に大きい条件と解釈することができる。また、式(14)の中の2≦nA2 *は、反射よりも吸収が勝る条件であると解釈することができる。 n A2 * and k A2 * represent values obtained by normalizing the refractive index n A2 and extinction coefficient k A2 of the light absorption layer by the wavelength λ of the incident light, respectively. Formulas (14) to (15) represent the range in which the properties are excellent when the light absorption layer is made of cermet. Among these, n A2 * ≦3.5 in equations (15) and (14) can be interpreted as a condition that the attenuation of the light intensity within the light absorption layer is sufficiently large. Furthermore, 2≦n A2 * in equation (14) can be interpreted as a condition in which absorption is superior to reflection.
上述した条件を満たすサーメットを構成する遷移金属(B)としては、例えば、Cr、Ti、W、Ni、Coなどがある。光吸収層は、これらのいずれか1種の遷移金属(B)を含むものでも良く、あるいは、2種以上の遷移金属(B)を含むものでも良い。
また、上述した条件を満たすサーメットを構成する透明材料(B)としては、例えば、SiO2、Al2O3、ZrO2、AlNなどがある。光吸収層は、これらのいずれか1種の透明材料(B)を含むものでも良く、あるいは、2種以上の透明材料(B)を含むものでも良い。
Examples of the transition metal (B) constituting the cermet that satisfies the above-mentioned conditions include Cr, Ti, W, Ni, and Co. The light absorption layer may contain any one of these transition metals (B), or may contain two or more of these transition metals (B).
Furthermore, examples of the transparent material (B) constituting the cermet that satisfies the above-mentioned conditions include SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , AlN, and the like. The light absorption layer may contain any one of these transparent materials (B), or may contain two or more of these transparent materials (B).
サーメットに含まれる遷移金属(B)の量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な量を選択することができる。通常、遷移金属(B)の量は、10~90vol%である。
また、サーメットに含まれる遷移金属(B)及び透明材料(B)の内、小さい方の粒子サイズは、信号光の波長の1/10以下が好ましい。小さい方の粒子サイズがこれより大きくなると、光散乱の影響が大きくなるので、干渉フィルターの機能が発現しなくなる。
The amount of transition metal (B) contained in the cermet is not particularly limited, and an optimal amount can be selected depending on the purpose. Usually, the amount of transition metal (B) is 10 to 90 vol%.
Moreover, the particle size of the smaller of the transition metal (B) and the transparent material (B) contained in the cermet is preferably 1/10 or less of the wavelength of the signal light. If the smaller particle size becomes larger than this, the effect of light scattering will increase, and the function of the interference filter will no longer be expressed.
[C. 相変化材料]
光吸収層は、相変化材料を含むものでも良い。光吸収材料として相変化材料を用いると、成膜時に光吸収層の厚さに誤差が生じた場合であっても、厚さの誤差を熱処理により補償することができる。
[C. Phase change material]
The light absorption layer may include a phase change material. When a phase change material is used as the light absorption material, even if an error occurs in the thickness of the light absorption layer during film formation, the thickness error can be compensated for by heat treatment.
相変化材料としては、例えば、Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4、GeSb4Te7、AgInSbTe系光記録材料などがある。AgInSbTe系光記録材料としては、例えば、Ag3.4In3.7Sb76.4Te16、Ag3.5In3.8Sb75.0Te17.7、Ag5In5Sb70Te20などがある。光吸収層は、これらのいずれか1種の材料からなるものでも良く、あるいは、2種以上の材料を含むものでも良い。これらの材料は、いずれも、成膜直後は消衰係数の小さいアモルファスであるが、熱処理により結晶化し、消衰係数が増大する。そのため、これらは、光吸収層を構成する材料として好適である。 Examples of phase change materials include Ge 2 Sb 2 Te 5 , GeSb 2 Te 4 , GeSb 4 Te 7 , and AgInSbTe-based optical recording materials. Examples of AgInSbTe-based optical recording materials include Ag 3.4 In 3.7 Sb 76.4 Te 16 , Ag 3.5 In 3.8 Sb 75.0 Te 17.7 and Ag 5 In 5 Sb 70 Te 20 . The light absorption layer may be made of any one of these materials, or may contain two or more of these materials. All of these materials are amorphous with a small extinction coefficient immediately after film formation, but are crystallized by heat treatment and the extinction coefficient increases. Therefore, these are suitable as materials constituting the light absorption layer.
[1.4. 基板]
フィルター層及び光吸収層は、通常、極めて薄いため、基板上に形成される。基板は、フィルター層及び光吸収層を支持することができ、かつ、信号光を透過させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
基板としては、例えば、シリカガラス板、ホウケイ酸ガラス板、サファイア板などがある。
[1.4. substrate]
Filter layers and light absorbing layers are typically very thin and therefore formed on a substrate. The substrate is not particularly limited as long as it can support the filter layer and the light absorption layer and can transmit signal light.
Examples of the substrate include a silica glass plate, a borosilicate glass plate, and a sapphire plate.
[2. 光学フィルターの製造方法]
[2.1. 光吸収層が遷移金属(A)又はサーメットからなる光学フィルター]
光吸収層が遷移金属(A)又はサーメットからなる光学フィルターは、基板上に所定の組成を有する薄膜を所定の順序で形成することにより得られる。薄膜の形成方法は、特に限定されるものではなく、周知の方法を用いることができる。
[2. Manufacturing method of optical filter]
[2.1. Optical filter whose light absorption layer is made of transition metal (A) or cermet]
An optical filter whose light absorption layer is made of a transition metal (A) or a cermet can be obtained by forming thin films having a predetermined composition on a substrate in a predetermined order. The method for forming the thin film is not particularly limited, and any known method can be used.
[2.2. 光吸収層が相変化材料からなる光学フィルター]
光吸収層が相変化材料からなる光学フィルターは、
フィルター層の入射面側に光吸収層が形成された積層体を作製し、
前記積層体を熱処理することにより前記積層体のフィルター特性を調節する
ことにより製造することができる。
[2.2. Optical filter whose light absorption layer is made of a phase change material]
An optical filter whose light absorption layer is made of a phase change material is
A laminate in which a light absorption layer is formed on the incident surface side of the filter layer is produced,
It can be manufactured by adjusting the filter characteristics of the laminate by heat treating the laminate.
[2.2.1. 積層体作製工程]
まず、フィルター層の入射面側に光吸収層が形成された積層体を作製する(積層体作製工程)。フィルター層は、屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層を含む。また、光吸収層は、加熱により消衰係数を不可逆的に変化させることが可能な光吸収材料を含む。各層の形成方法は、特に限定されるものではなく、周知の方法を用いることができる。
[2.2.1. Laminate production process]
First, a laminate in which a light absorption layer is formed on the incident surface side of a filter layer is produced (laminate production step). The filter layer includes alternating layers of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes. Further, the light absorption layer includes a light absorption material whose extinction coefficient can be irreversibly changed by heating. The method of forming each layer is not particularly limited, and any known method can be used.
[2.2.2. 熱処理工程]
次に、前記積層体を熱処理することにより前記積層体のフィルター特性を調節する(熱処理工程)。これにより、本発明に係る光学フィルターが得られる。
光吸収層として相変化材料を用いると、成膜時に光吸収層の厚さに誤差が生じた場合であっても、厚さの誤差を熱処理により補償することができる。そのため、所望の特性を有する光学フィルターを高い歩留まりで製造することができる。
熱処理方法は、所望の光学特性が得られる限りにおいて、特に限定されない。熱処理方法としては、具体的には、以下のような方法がある。
[2.2.2. Heat treatment process]
Next, the filter characteristics of the laminate are adjusted by heat-treating the laminate (heat treatment step). Thereby, an optical filter according to the present invention is obtained.
When a phase change material is used as the light absorption layer, even if an error occurs in the thickness of the light absorption layer during film formation, the thickness error can be compensated for by heat treatment. Therefore, optical filters having desired characteristics can be manufactured with high yield.
The heat treatment method is not particularly limited as long as desired optical properties can be obtained. Specifically, the heat treatment method includes the following methods.
[A. 第1の方法]
第1の方法は、前記積層体の透過/吸収特性をモニターしながら熱処理を行う方法である。透過/吸収特性が目的とする特性からずれている場合、透過/吸収特性(例えば、特定の入射角を持つ光の透過率、反射率、吸収率)をモニターしながら、消衰係数が比較的穏やかに変化する条件下で熱処理を行い、透過/吸収特性が目的とする特性になったところで急冷し、熱処理を終了させる。
[A. First method]
The first method is to perform heat treatment while monitoring the transmission/absorption characteristics of the laminate. If the transmission/absorption characteristics deviate from the desired characteristics, check the extinction coefficient while monitoring the transmission/absorption characteristics (e.g., transmittance, reflectance, and absorption of light with a specific angle of incidence). The heat treatment is performed under gently changing conditions, and when the desired transmission/absorption properties are achieved, the heat treatment is terminated by rapid cooling.
[B. 第2の方法]
第2の方法は、前記光吸収層の厚さを測定し、前記光吸収層の厚さに応じた条件下で熱処理を行う方法である。光吸収層の透過/吸収特性は、光吸収層の厚さにも依存する。そのため、光吸収層の厚さが分かると、所望の透過/吸収特性を得るために必要な熱処理条件を一義的に推定することができる。
なお、光吸収層の厚さを非破壊で測定することが困難な場合には、同一ロットの光学フィルターの中から所定数をサンプリングし、光吸収層の厚さを実測すれば良い。
[B. Second method]
The second method is to measure the thickness of the light absorption layer and perform heat treatment under conditions depending on the thickness of the light absorption layer. The transmission/absorption properties of the light absorption layer also depend on the thickness of the light absorption layer. Therefore, once the thickness of the light absorption layer is known, it is possible to uniquely estimate the heat treatment conditions necessary to obtain desired transmission/absorption characteristics.
In addition, if it is difficult to non-destructively measure the thickness of the light absorption layer, it is sufficient to sample a predetermined number of optical filters from the same lot and actually measure the thickness of the light absorption layer.
[C. 第3の方法]
第3の方法は、前記積層体の光学特性を測定し、前記光学特性に応じた条件下で熱処理を行う方法である。光学フィルターの構造が決まると、その光学特性(例えば、信号光の強度、ノイズ光の強度など)を数値計算により推定することができる。そのため、光学フィルターの光学特性を実測し、理論値からの偏差が分かると、所望の光学特性を得るために必要な熱処理条件を一義的に推定することができる。
[C. Third method]
A third method is to measure the optical properties of the laminate and perform heat treatment under conditions depending on the optical properties. Once the structure of the optical filter is determined, its optical characteristics (for example, the intensity of signal light, the intensity of noise light, etc.) can be estimated by numerical calculation. Therefore, if the optical characteristics of an optical filter are actually measured and the deviation from the theoretical value is known, it is possible to uniquely estimate the heat treatment conditions necessary to obtain the desired optical characteristics.
[3. 作用]
屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層膜は、角度選択フィルターとしての機能を持つ。このような交互積層膜を含むフィルター層に光を入射させると、異種材料間の界面において光の反射が繰り返される。その結果、フィルター層内の光強度(あるいは、入射光の電場振幅)は、一様とはならず、深さ方向に沿って周期的に変動する。また、光強度の分布は、光の入射角によっても変化する。
[3. Effect]
An alternately laminated film made of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes has a function as an angle selection filter. When light is incident on a filter layer including such alternately laminated films, the light is repeatedly reflected at the interface between different materials. As a result, the light intensity (or the electric field amplitude of the incident light) within the filter layer is not uniform and varies periodically along the depth direction. Furthermore, the distribution of light intensity also changes depending on the angle of incidence of light.
このようなフィルター層の入射面側に所定の条件を満たす光吸収層を形成した場合において、透過域にある入射光(信号光)を照射した時には、入射面の近傍(すなわち、光吸収層が設置された位置の近傍)での光強度が弱くなる。その結果、信号光は、光吸収層に吸収されることなく、そのまま光吸収層を透過する割合が大きくなる。
一方、阻止域にある入射光(ノイズ光)を照射した時には、入射面の近傍での光強度が強くなる。その結果、ノイズ光は、光吸収層に吸収される割合が大きくなる。
そのため、このような光学フィルターを指向性光検出器などに適用すると、信号光の透過を著しく妨げることなく、ノイズ光の影響を低減することができる。
When a light absorption layer that satisfies predetermined conditions is formed on the entrance surface side of such a filter layer, when the incident light (signal light) in the transmission region is irradiated, the light absorption layer near the entrance surface (that is, the light absorption layer (near the installed position) the light intensity becomes weaker. As a result, a large proportion of the signal light passes through the light absorption layer without being absorbed by the light absorption layer.
On the other hand, when incident light (noise light) in the stop band is irradiated, the light intensity near the incident surface increases. As a result, the proportion of noise light absorbed by the light absorption layer increases.
Therefore, when such an optical filter is applied to a directional photodetector or the like, the influence of noise light can be reduced without significantly interfering with the transmission of signal light.
さらに、このような光学フィルターを作製する場合において、光吸収層の厚さに誤差が生じると、所望の光学特性が得られない場合がある。これに対し、光吸収層を構成する光吸収材料として、加熱により消衰係数を不可逆的に変化させることが可能な材料を用いると、成膜時に光吸収層の厚さに誤差が生じた場合であっても、厚さの誤差を熱処理により補償することができる。そのため、所望の特性を有する光学フィルターを高い歩留まりで製造することが可能となる。 Furthermore, when producing such an optical filter, if an error occurs in the thickness of the light absorption layer, desired optical characteristics may not be obtained. On the other hand, if a material whose extinction coefficient can be irreversibly changed by heating is used as the light-absorbing material constituting the light-absorbing layer, an error may occur in the thickness of the light-absorbing layer during film formation. Even if it is, the thickness error can be compensated for by heat treatment. Therefore, it becomes possible to manufacture optical filters having desired characteristics at a high yield.
(実施例1~4、比較例1: 光学フィルターの設計)
[1. はじめに]
指向性光検出器のSN比を向上させるためには、特定の方向から入射する光のみを透過するような角度選択フィルター(ASF)が有効である。誘電体多層膜からなる波長選択フィルター(WSF)は、白色光あるいは複数の波長を含む光から特定の波長のみを選択的に透過し、他は反射するものであり、通常は光を垂直に近い角度で入射して用いられる。一方、位相差の観点からは、斜入射は長波長と等価であるので(参考文献1)、WSFは所定の波長に対するASFとしても機能する(参考文献2~4)。
(Examples 1 to 4, Comparative Example 1: Design of optical filter)
[1. Introduction]
In order to improve the signal-to-noise ratio of a directional photodetector, an angle selective filter (ASF) that transmits only light incident from a specific direction is effective. A wavelength selection filter (WSF) made of a dielectric multilayer film selectively transmits only a specific wavelength from white light or light containing multiple wavelengths, and reflects the others, and usually transmits light in a nearly perpendicular direction. It is used with the angle of incidence. On the other hand, from the perspective of phase difference, oblique incidence is equivalent to a long wavelength (Reference 1), so the WSF also functions as an ASF for a predetermined wavelength (
但し、誘電体多層膜を用いた場合、ASFにより反射された光が、検出器が備えられた装置の筐体や光学窓により反射されて迷光となり、検出器に到達してノイズの原因となり得る。特に、装置を小型化すると迷光の影響を受けやすくなる。そこで、透過域から外れた入射角の光を反射ではなく吸収する、吸収型角度選択フィルター(absorption-type angle-selective filter、A-ASF)が実現されれば、実装上の制約が小さくなる。
そこで、従来の反射型ASF(reflection-type angle-selective filter、R-ASF)を基にして、これに光吸収の機能を加えたA-ASFを設計した。
However, when a dielectric multilayer film is used, the light reflected by the ASF may be reflected by the casing or optical window of the device equipped with the detector, becoming stray light, reaching the detector and causing noise. . In particular, as devices become smaller, they become more susceptible to stray light. Therefore, if an absorption-type angle-selective filter (A-ASF) that absorbs light at an incident angle outside the transmission range instead of reflecting it is realized, the restrictions on implementation will be reduced.
Therefore, we designed the A-ASF, which is based on the conventional reflection-type angle-selective filter (R-ASF) and adds a light absorption function to it.
[2. A-ASFの設計]
[2.1. A-ASFの発現機構]
[2.1.1. 概要]
光検出器に信号光が6~12°の入射角で、筐体や他の光学素子により多重反射されて生じるノイズ光が23~26°の入射角で入射する場合を考え、透過域が6~12°、阻止域が23~26°のA-ASFを設計する。他の入射角の特性は問わないことにする。入射光の波長は、905nmの場合を扱う。
[2. A-ASF design]
[2.1. A-ASF expression mechanism]
[2.1.1. overview]
Considering the case where the signal light is incident on the photodetector at an incident angle of 6 to 12 degrees, and the noise light generated by multiple reflection by the housing and other optical elements is incident on the photodetector at an incident angle of 23 to 26 degrees, the transmission range is 6 degrees. We design an A-ASF with ~12° and a stopband of 23-26°. The characteristics of other incident angles are not considered. The wavelength of the incident light is 905 nm.
信号光強度(Isignal)、ノイズ光強度(Inoise)をそれぞれ次の式(21)及び式(22)のように定義する。ここで、T(θ)、R(θ)は、それぞれ入射角θに依存した透過率と反射率、wはASFにより反射された光が検出器に到達する比率である。 The signal light intensity (I signal ) and the noise light intensity (I noise ) are defined as shown in the following equations (21) and (22), respectively. Here, T(θ) and R(θ) are the transmittance and reflectance depending on the incident angle θ, respectively, and w is the ratio of light reflected by the ASF reaching the detector.
先ず、w=0、即ち、反射光が悪影響を全く及ぼさない場合を考える。この場合は、TiO2(屈折率2.299)/SiO2(屈折率1.47)の多層膜からなる、WSFの1種である2重共振器バンドパスフィルター(2-cavity bandpass filter、2C-BPF)を基にしてR-ASF特性が得られる(参考文献5)。
BPFの基本構造は、光学厚さ1/4波長の高屈折率層/低屈折率層を積層したブラッグ反射鏡により、共振器長を決める光学厚さ1/2波長の層を挟んだものである。1/2波長層を2層設けると、その間のブラック反射鏡の厚さに応じて透過域(波長又は入射角の範囲)が広がる。
First, consider the case where w=0, that is, the reflected light has no adverse effect at all. In this case, a 2 - cavity bandpass filter (2C -BPF), the R-ASF characteristics can be obtained (Reference 5).
The basic structure of a BPF is that a Bragg reflector consisting of a stacked high refractive index layer/low refractive index layer with an optical thickness of 1/4 wavelength is sandwiched between a layer with an optical thickness of 1/2 wavelength that determines the cavity length. be. When two 1/2 wavelength layers are provided, the transmission range (wavelength or incident angle range) is expanded depending on the thickness of the black reflecting mirror between them.
ここでは、28層の2C-BPFを基にして、
(a)ブラッグ反射鏡を構成する高屈折率層/低屈折率層のそれぞれの光学厚さ、
(b)共振器長(1/2波長層の光学厚さ)、並びに、
(c)最表面層及び基板(シリカガラス)に接する層の光学厚さ
の合計5つを独立なパラメータとして扱い、Isignal≧0.95の条件下でInoiseが小さくなるような値を求めた。最表面層及び基板に接する層の厚さの調節は、透過域でのリップルを低減するために必要である。
Here, based on the 28-layer 2C-BPF,
(a) Each optical thickness of the high refractive index layer/low refractive index layer constituting the Bragg reflector,
(b) resonator length (optical thickness of 1/2 wavelength layer), and
(c) Treat a total of five optical thicknesses of the outermost surface layer and the layer in contact with the substrate (silica glass) as independent parameters, and find a value that reduces I noise under the condition of I signal ≧ 0.95. Ta. Adjustment of the thickness of the outermost layer and the layer in contact with the substrate is necessary to reduce ripples in the transmission region.
[2.1.2. 比較例1]
以下に、光吸収層を含まない28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASF(比較例1)の構成を示す。各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
0.352SiO2/(1.003TiO2/1.038SiO2/)3
1.003TiO2/1.96SiO2/(1.003TiO2/1.038SiO2/)6
1.003TiO2/1.96SiO2/(1.003TiO2/1.038SiO2/)2
0.983TiO2/Substrate
図1に、上記構成を備えたR-ASF(比較例1)の透過率T(θ)及び反射率R(θ)を示す。このとき、Isignal=0.95、Inoise=0.00475+wである。
[2.1.2. Comparative example 1]
The structure of an R-ASF (Comparative Example 1) consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film that does not include a light absorption layer is shown below. The optical thickness of each layer is shown in quarter wavelengths.
0.352SiO 2 /(1.003TiO 2 /1.038SiO 2 /) 3
1.003TiO 2 /1.96SiO 2 /(1.003TiO 2 /1.038SiO 2 /) 6
1.003TiO 2 /1.96SiO 2 /(1.003TiO 2 /1.038SiO 2 /) 2
0.983TiO2 /Substrate
FIG. 1 shows the transmittance T(θ) and reflectance R(θ) of the R-ASF (Comparative Example 1) having the above configuration. At this time, I signal =0.95, I noise =0.00475+w.
透過域である9°≦θ≦12°の範囲では、T(θ)の高い値が保たれる。θが12°を超えて大きくなると、T(θ)は急激に低下し、R(θ)が増大する。その結果、Isignal=0.95、Inoise=0.00475、S/N=Isignal/Inoise=200(但し、w=0)となる。しかし、この場合は光吸収がゼロであるから、wが有限の場合にはInoise=0.00475+wであり、結局S/N≒1/wである。そこで、wをその最大値である1に置き換えて、Inoiseを改めて次の式(23)のように定義する。この定義によると、R-ASFによるS/Nの最大値は1である。 In the transmission range of 9°≦θ≦12°, a high value of T(θ) is maintained. When θ increases beyond 12°, T(θ) rapidly decreases and R(θ) increases. As a result, I signal =0.95, I noise =0.00475, and S/N=I signal /I noise =200 (however, w=0). However, in this case, since the light absorption is zero, when w is finite, I noise =0.00475+w, and S/N≈1/w after all. Therefore, w is replaced with its maximum value, 1, and I noise is defined again as shown in the following equation (23). According to this definition, the maximum value of S/N by R-ASF is 1.
これに光吸収の機能を組み合わせて、S/Nがより大きくなるような構成を考える。後に示すように、阻止域でのT(θ)≒0は容易に得られるので(図5など参照)、透過域でのT(θ)を高く、阻止域でのR(θ)を低くすることが課題である。図2は、透過域の中央であるθ=9°のときの光強度分布である。多重干渉の結果、各SiO2層内にて極大、各TiO2層内にて極小となる。その極大値は、フィルターの入射面(深さ=0)、基板との界面、及び厚さ方向の大よそ中間で小さく、それらの間で大きくなる。 Consider a configuration in which the S/N ratio is increased by combining this with a light absorption function. As shown later, T(θ)≒0 in the stopband can be easily obtained (see Figure 5, etc.), so T(θ) in the passband is made high and R(θ) in the stopband is made low. That is the issue. FIG. 2 shows the light intensity distribution when θ=9°, which is the center of the transmission region. As a result of multiple interference, there is a maximum within each SiO 2 layer and a minimum within each TiO 2 layer. The maximum value is small at the entrance surface of the filter (depth = 0), the interface with the substrate, and roughly in the middle in the thickness direction, and becomes large between them.
これとは対照的に、阻止域の中央であるθ=24.5°の場合は、図3に示すように、光強度の極大値が入射面近くで大きく、そこから急激に減衰する。そこで、フィルターの入射面近傍の適切な位置に光吸収材料の層を形成すれば、阻止域では吸収が大きく、その結果R(θ)が低くなるのに対し、透過域では光吸収層の影響が小さく、高いT(θ)の値が保たれることが予測される。 In contrast, in the case of θ=24.5°, which is the center of the stopband, as shown in FIG. 3, the maximum value of the light intensity is large near the incident surface, and then it attenuates rapidly from there. Therefore, if a layer of light-absorbing material is formed at an appropriate position near the entrance surface of the filter, absorption will be large in the stop band, resulting in a low R(θ), whereas in the transmission band, the effect of the light-absorbing layer will be It is predicted that the value of T(θ) will be small and a high value of T(θ) will be maintained.
[2.2. 光吸収材料の選定]
図2及び図3からわかるように、光強度は、各層の厚さλ/(4n)≒100~150nm(nは屈折率)の範囲で大きく変化する。そこで、これよりも十分に薄い光吸収層を光強度が大きい箇所に形成し、これを透過する間に阻止域の入射光が吸収されなければならない。従って、光吸収材料の複素屈折率n+ikには、πk/n≧1の条件を満たすことが求められる。吸収を持つ誘電体材料のn+ikは、多くの場合これを満たすことができない。例えば、Geではn+ik=4.5+i0.18、PbSではn+ik=4.7+i0.7であるため(参考文献6)、優れたA-ASF特性を得ることができない。そこで光吸収材料に金属材料、及びサーメットを用いて設計を行う。
[2.2. Selection of light-absorbing material]
As can be seen from FIGS. 2 and 3, the light intensity varies greatly within the range of the thickness of each layer λ/(4n)≈100 to 150 nm (n is the refractive index). Therefore, a light absorption layer that is sufficiently thinner than this must be formed at a location where the light intensity is high, and the incident light in the stop zone must be absorbed while passing through this layer. Therefore, the complex refractive index n+ik of the light-absorbing material is required to satisfy the condition πk/n≧1. n+ik of dielectric materials with absorption cannot satisfy this in many cases. For example, since n+ik=4.5+i0.18 for Ge and n+ik=4.7+i0.7 for PbS (Reference 6), excellent A-ASF characteristics cannot be obtained. Therefore, the design uses metal materials and cermets as light-absorbing materials.
金属材料の多くは上記πk/n≧1の条件を満たす。但し、Au、Ag、Cuなどの貴金属の場合は、誘電損失(誘電率の虚数部)が小さいので(参考文献7)、光は吸収されずにむしろ反射される恐れがある。これに対し、Cr、Ti、Mo、W、Ni、Coなどの遷移金属は誘電損失が大きい(即ち反射率が低い)ので(参考文献8、9)、光吸収材料として機能することが期待される。
Most metal materials satisfy the above condition of πk/n≧1. However, in the case of noble metals such as Au, Ag, and Cu, the dielectric loss (imaginary part of the dielectric constant) is small (Reference 7), so there is a possibility that the light is not absorbed but rather reflected. On the other hand, transition metals such as Cr, Ti, Mo, W, Ni, and Co have large dielectric loss (i.e., low reflectance) (
もう1つの候補材料は、金属の微粒子が誘電体中に分散されたサーメットである(参考文献10)。SiO2、Al2O3などの中にやはりCr、Ti、Mo、W、Ni、Coなどの遷移金属が分散された構造により、πk/n≧1の条件が満たされる(参考文献11~14)。 Another candidate material is cermet, in which fine metal particles are dispersed in a dielectric material (Reference 10). Due to the structure in which transition metals such as Cr, Ti, Mo, W, Ni, and Co are dispersed in SiO 2 and Al 2 O 3 , the condition of πk/n≧1 is satisfied (References 11 to 14). ).
[3. 結果と考察]
28層のTiO2/SiO2多層膜からなる2C-BPFの入射面に2.2節にて述べた光吸収層が形成された構造を想定し、各層の光学厚さの適切な値を求めた。
[3. Results and discussion]
Assuming a structure in which the light absorption layer described in Section 2.2 is formed on the incident surface of a 2C-BPF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film, find the appropriate value for the optical thickness of each layer. Ta.
[3.1. 金属材料を用いた場合]
[3.1.1. 複素屈折率]
先ず、入射面に金属層が形成された場合を考える。これの複素屈折率n+ik=1+i~5+i6の各値について、各層の厚さの適切な値を求めた。但し、ブラッグ反射鏡を構成する高屈折率層/低屈折率層の光学厚さは等しく、共振器長はこれの2倍である場合に限定した。この値及び金属材料層の厚さ、並びに、金属材料層及び基板に接する各層の光学厚さの4つが独立なパラメータである。
[3.1. When using metal materials]
[3.1.1. Complex refractive index]
First, consider the case where a metal layer is formed on the incident surface. Appropriate values for the thickness of each layer were determined for each value of the complex refractive index n+ik=1+i to 5+i6. However, the optical thickness of the high refractive index layer/low refractive index layer constituting the Bragg reflector was the same, and the resonator length was limited to twice this. This value, the thickness of the metal material layer, and the optical thickness of each layer in contact with the metal material layer and the substrate are four independent parameters.
図4(A)は、Inoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果である。πk/n≧1であっても、n≪k(貴金属)の場合は、金属層への光の侵入長は小さいものの、光は吸収されるよりもむしろ反射されるので、A-ASFとしての優れた機能は得られない。逆に、k≪nの領域は、πk/n≧1の条件が満たされないので不適切である。これらの極端な場合を除けば、Isignalは、n、kに殆ど依存しない一定に近い値であり、むしろ各層の厚さが完全には最適化されていないことにより値が変動している。但し、おおよそn≒kに近い場合に、大きいIsignalが得られる傾向が見られる。 FIG. 4A shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2. Even if πk/n≧1, if n≪k (noble metal), the penetration length of light into the metal layer is small, but the light is reflected rather than absorbed, so it is not suitable as an A-ASF. You won't get great features. Conversely, a region where k<<n is inappropriate because the condition πk/n≧1 is not satisfied. Except for these extreme cases, I signal has a nearly constant value that is almost independent of n and k, but rather fluctuates because the thickness of each layer is not completely optimized. However, when n≈k, there is a tendency for a large I signal to be obtained.
図4(B)は、Isignal≧0.75の条件下でInoiseが小さくなるような各層の厚さを求めた結果である。この場合も、n≪k及びk≪nの領域を除いてInoiseの変化は小さいものの、大よそn≒kに近い場合がより適切である。
なお、図4(B)においても、A-ASFを構成する各層の厚さが完全には最適化されていないことにより、値が変動していることに注意。
FIG. 4B shows the results of determining the thickness of each layer such that I noise is small under the condition of I signal ≧0.75. In this case as well, although the change in I noise is small except in the regions where n<<k and k<<n, it is more appropriate to approximately approximate n≒k.
Note that even in Fig. 4(B), the values fluctuate because the thickness of each layer constituting the A-ASF has not been completely optimized.
n≒kの条件を満たす金属には、Cr(3.3155+i3.5271、参考文献9)、Ti(3.2985+i3.9614、参考文献9)、Mo(3.0074+i3.4853、参考文献10)、W(3.2940+i2.9973、参考文献10)などがある。また、Ni、Coもnとkが比較的近い値である。そこで、金属材料にCrを用いて、ブラッグ反射鏡を構成する高屈折率層/低屈折率層の各光学厚さ、及び共振器長それぞれの適切な値を独立に求めた。 Metals that satisfy the condition n≒k include Cr (3.3155+i3.5271, reference 9), Ti (3.2985+i3.9614, reference 9), Mo (3.0074+i3.4853, reference 10), W (3.2940+i2.9973, Reference 10), etc. Further, Ni and Co also have relatively close values of n and k. Therefore, using Cr as the metal material, appropriate values for each optical thickness of the high refractive index layer/low refractive index layer constituting the Bragg reflector and each resonator length were determined independently.
[3.1.2. 実施例1]
以下に、Cr層(2.4nm)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例1)の構成を示す。Cr層以外の各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
Cr(2.4nm)/0.952SiO2/(1.060TiO2/0.952SiO2/)3
1.060TiO2/1.962SiO2/(1.060TiO2/0.952SiO2/)6
1.060TiO2/1.962SiO2/(1.060TiO2/0.952SiO2/)2
1.060TiO2/Substrate
図5~図7に、上記構成を備えたA-ASF(実施例1)のInoise≦0.2の条件での結果を示す。この時、Inoise=0.2、Isignal=0.701、S/N=3.51である。
[3.1.2. Example 1]
The structure of an A-ASF (Example 1) including a Cr layer (2.4 nm) and an R-ASF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film is shown below. The optical thickness of each layer other than the Cr layer is shown in units of 1/4 wavelength.
Cr(2.4nm) /0.952SiO2/ ( 1.060TiO2 / 0.952SiO2 /) 3
1.060TiO 2 /1.962SiO 2 /(1.060TiO 2 /0.952SiO 2 /) 6
1.060TiO 2 /1.962SiO 2 /(1.060TiO 2 /0.952SiO 2 /) 2
1.060TiO2 /Substrate
5 to 7 show the results of A-ASF (Example 1) having the above configuration under the condition of I noise ≦0.2. At this time, I noise =0.2, I signal =0.701, and S/N = 3.51.
図5に見られるように、T(θ)の変化の傾向は光吸収がない場合(図1)と同様であるが、透過域での値が低くなる。一方、阻止域でのR(θ)の増大が抑えられ、その替わりに吸収率A(θ)が高くなる。その結果、Isignal=0.701、S/N=3.51、即ち光吸収のないR-ASFの場合よりも3.51倍高いS/Nが得られる。
図6(A)及び図6(B)に示される、θ=9°のときの光強度分布は、光吸収のないR-ASFの場合(図2(A)及び図2(B))に良く似ており、Cr層での光強度は小さい。一方、θ=24.5°のときは、図3(A)及び図3(B)とは異なり、第2層(SiO2層)を厚くすることによってちょうどCr層にて光強度が極大となる。その結果、光吸収がθ=9°では小さく、θ=24.5°では大きいという、A-ASFの機能が得られる。
As seen in FIG. 5, the tendency of change in T(θ) is similar to that in the case without optical absorption (FIG. 1), but the value in the transmission region becomes lower. On the other hand, the increase in R(θ) in the stopband is suppressed, and the absorption rate A(θ) increases instead. As a result, I signal =0.701 and S/N=3.51, that is, an S/N that is 3.51 times higher than in the case of R-ASF without optical absorption is obtained.
The light intensity distribution when θ=9° shown in FIGS. 6(A) and 6(B) is similar to that in the case of R-ASF with no light absorption (FIGS. 2(A) and 2(B)). They are very similar, and the light intensity at the Cr layer is small. On the other hand, when θ=24.5°, unlike FIGS. 3(A) and 3(B), by increasing the thickness of the second layer (SiO 2 layer), the light intensity reaches its maximum just at the Cr layer. Become. As a result, an A-ASF function is obtained in which light absorption is small at θ=9° and large at θ=24.5°.
[3.1.3. 実施例2]
以下に、Cr層(1.7nm)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例2)の構成を示す。Cr層以外の各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
Cr(1.7nm)/1.022SiO2/(0.981TiO2/1.022SiO2/)3
0.981TiO2/2.032SiO2/(0.981TiO2/1.022SiO2/)6
0.981TiO2/2.032SiO2/(0.981TiO2/1.022SiO2/)2
0.932TiO2/Substrate
図8~図10に、上記構成を備えたA-ASFのIsignal≧0.75の条件での結果を示す。この時、Inoise=0.325、Isignal=0.75、S/N=2.31である。
[3.1.3. Example 2]
The structure of an A-ASF (Example 2) including a Cr layer (1.7 nm) and an R-ASF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film is shown below. The optical thickness of each layer other than the Cr layer is shown in units of 1/4 wavelength.
Cr(1.7nm) /1.022SiO2/ ( 0.981TiO2 / 1.022SiO2 /) 3
0.981TiO 2 /2.032SiO 2 /(0.981TiO 2 /1.022SiO 2 /) 6
0.981TiO 2 /2.032SiO 2 /(0.981TiO 2 /1.022SiO 2 /) 2
0.932TiO 2 /Substrate
8 to 10 show the results of A-ASF with the above configuration under the condition of I signal ≧0.75. At this time, I noise =0.325, I signal =0.75, and S/N = 2.31.
実施例2は、実施例1と比べて、T(θ)、R(θ)、及びA(θ)、並びに、光強度の分布の傾向は同様である。しかし、実施例2はCr層が薄いため、T(θ)、R(θ)は高く、A(θ)は低い。従って、Isignalは大きいものの、Inoise=0.325の大きい値に留まるので、S/N=2.31である。実施例1のIsignal=0.701、Inoise=0.2、S/N=3.51と比べると、実施例2の方がS/Nは劣る。ここで扱う光学的なS/Nのみが問題になるならば、Cr層を厚くしてIsignal、Inoise共に小さくする方が有利である。但し、Isignalが大きいと、光検出器やその信号処理の電気的ノイズの影響が相対的に小さくなるという利点もある。このように、最適なIsignal、Inoiseの値は、システム全体に依存するので、ここではA-ASFの設計指針を示すに留める。 Example 2 has similar trends in T(θ), R(θ), A(θ), and light intensity distribution as compared to Example 1. However, in Example 2, since the Cr layer is thin, T(θ) and R(θ) are high and A(θ) is low. Therefore, although I signal is large, it remains at a large value of I noise =0.325, so S/N = 2.31. Compared to the first embodiment, I signal =0.701, I noise =0.2, and S/N=3.51, the S/N of the second embodiment is inferior. If only the optical S/N is a problem, it is advantageous to make the Cr layer thicker to reduce both I signal and I noise . However, when the I signal is large, there is an advantage that the influence of electrical noise of the photodetector and its signal processing becomes relatively small. In this way, the optimal values of I signal and I noise depend on the entire system, so here we will only show the design guidelines for A-ASF.
[3.2. サーメット材料を用いた場合]
[3.2.1. 複素屈折率]
次に、入射面にサーメット層が形成された場合を考える。これの複素屈折率n+ik=2+i0.1~3.5+i1.5の各値について、各層の厚さの適切な値を求めた。但し、3.1節と同様に、ブラッグ反射鏡を構成する高屈折率層/低屈折率層の光学厚さの2倍が共振器長に等しい場合に限定した。
[3.2. When using cermet material]
[3.2.1. Complex refractive index]
Next, consider a case where a cermet layer is formed on the incident surface. Appropriate values for the thickness of each layer were determined for each value of the complex refractive index n+ik=2+i0.1 to 3.5+i1.5. However, as in Section 3.1, this is limited to the case where twice the optical thickness of the high refractive index layer/low refractive index layer constituting the Bragg reflector is equal to the resonator length.
図11(A)は、Inoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果である。k≦0.2のときには光吸収が小さいため、Inoise≦0.2が得られない。一方、0.2<k<0.8の範囲では、Inoise≦0.2を満たしつつも、nが小さい方がより大きいIsignalが得られる。k≧0.8になると、Isignal≒0.68~0.69であり、nへの依存性は小さく、むしろ各層の厚さが完全には最適化されていないことによる値の変動が目立つ。但し、僅かながらもnが小さい方がIsignalがより大きい傾向が見られる。従って、計算した範囲では、nが小さくkが大きい材料が適切であると判断される。 FIG. 11A shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2. When k≦0.2, light absorption is small, so I noise ≦0.2 cannot be obtained. On the other hand, in the range of 0.2<k<0.8, a larger I signal can be obtained when n is smaller while satisfying I noise ≦0.2. When k≧0.8, I signal ≒0.68 to 0.69, and the dependence on n is small, and rather the value fluctuations are noticeable because the thickness of each layer is not completely optimized. . However, there is a slight tendency that the smaller n is, the larger the I signal is. Therefore, within the calculated range, it is determined that a material with a small n and a large k is appropriate.
図11(B)は、Isignal≧0.75の条件下でInoiseが小さくなるような各層の厚さを求めた結果である。この場合も、nが小さくkが大きい方が、より小さいInoiseが得られる。
なお、図11(B)においても、A-ASFを構成する各層の厚さが完全には最適化されていないことにより、値が変動していることに注意。
FIG. 11B shows the results of determining the thickness of each layer such that I noise becomes small under the condition of I signal ≧0.75. In this case as well, the smaller n is and the larger k is, the smaller I noise can be obtained.
Note that even in FIG. 11(B), the values fluctuate because the thickness of each layer constituting the A-ASF has not been completely optimized.
これまでにn+ikの値が報告されているSiO2+Ti(参考文献14)、SiO2+Mo(参考文献12)、Al2O3+Co(参考文献11)、Al2O3+W(参考文献13)のうち、SiO2+Tiにより比較的小さいnと大きいkが得られ、Ti0.74Si0.26O1.91の組成のときにはn+ik=2.6+i1.4となる。この材料を用いて、ブラッグ反射鏡を構成する高屈折率層/低屈折率層の各光学厚さ、及び共振器長それぞれの適切な値を独立に求めた。 The values of n+ik have been reported so far for SiO 2 +Ti (Reference 14), SiO 2 +Mo (Reference 12), Al 2 O 3 +Co (Reference 11), and Al 2 O 3 +W (Reference 13). Among them, relatively small n and large k can be obtained with SiO 2 +Ti, and when the composition is Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 , n+ik=2.6+i1.4. Using this material, appropriate values for each optical thickness and cavity length of the high refractive index layer/low refractive index layer constituting the Bragg reflector were determined independently.
[3.2.2. 実施例3~4]
以下に、Ti0.74Si0.26O1.91層(光学厚さ0.089)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例3)の構成を示す。各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
0.089Ti0.74Si0.26O1.91/
0.833SiO2/(1.125TiO2/0.916SiO2/)3
1.125TiO2/1.874SiO2/(1.125TiO2/0.916SiO2/)6
1.125TiO2/1.874SiO2/(1.125TiO2/0.916SiO2/)2
1.103TiO2/Substrate
図12~図14に、上記構成を備えたA-ASFのInoise≦0.2の条件での結果を示す。この時、Inoise=0.2、Isignal=0.704、S/N=3.52である。
[3.2.2. Examples 3-4]
The following shows the structure of an A-ASF (Example 3) comprising an R-ASF consisting of a Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer (optical thickness 0.089) and a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film. . The optical thickness of each layer is shown in quarter wavelengths.
0.089Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 /
0.833SiO 2 /(1.125TiO 2 /0.916SiO 2 /) 3
1.125TiO 2 /1.874SiO 2 /(1.125TiO 2 /0.916SiO 2 /) 6
1.125TiO 2 /1.874SiO 2 /(1.125TiO 2 /0.916SiO 2 /) 2
1.103TiO2 /Substrate
12 to 14 show the results of A-ASF with the above configuration under the condition of I noise ≦0.2. At this time, I noise =0.2, I signal =0.704, and S/N = 3.52.
以下に、Ti0.74Si0.26O1.91層(光学厚さ0.067)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例4)の構成を示す。各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
0.067Ti0.74Si0.26O1.91/
0.895SiO2/(1.000TiO2/1.053SiO2/)3
1.000TiO2/1.958SiO2/(1.000TiO2/1.053SiO2/)6
1.000TiO2/1.958SiO2/(1.000TiO2/1.053SiO2/)2
1.010TiO2/Substrate
図15~図17に、上記構成を備えたA-ASFのIsignal≧0.75の条件での結果を示す。この時、Inoise=0.299、Isignal=0.75、S/N=2.51である。
The following shows the structure of an A-ASF (Example 4) comprising an R-ASF consisting of a Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer (optical thickness 0.067) and a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film. . The optical thickness of each layer is shown in quarter wavelengths.
0.067Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 /
0.895SiO 2 /(1.000TiO 2 /1.053SiO 2 /) 3
1.000TiO 2 /1.958SiO 2 /(1.000TiO 2 /1.053SiO 2 /) 6
1.000TiO 2 /1.958SiO 2 /(1.000TiO 2 /1.053SiO 2 /) 2
1.010TiO 2 /Substrate
15 to 17 show the results of A-ASF with the above configuration under the condition of I signal ≧0.75. At this time, I noise =0.299, I signal =0.75, and S/N = 2.51.
Inoise≦0.2の条件下では、Isignal=0.704、S/N=3.52が得られる。また、Isignal≧0.75の条件下では、Inoise=0.299、S/N=2.51が得られる。図12~図17の各特性は、図5~図10に示される金属材料の場合と殆ど同じであり、その結果得られるIsignal、Inoiseの値も大差ない。 Under the condition of I noise ≦0.2, I signal =0.704 and S/N = 3.52 are obtained. Further, under the condition of I signal ≧0.75, I noise =0.299 and S/N = 2.51 are obtained. The characteristics shown in FIGS. 12 to 17 are almost the same as those of the metal materials shown in FIGS. 5 to 10, and the values of I signal and I noise obtained as a result are not significantly different.
サーメット材料はその組成だけでなく、分散される金属微粒子の大きさにも依存してn、kが変化するので、前節にて述べた純金属層の形成に比べてプロセスのより高い安定性が求められる。一方、純金属層に比べて厚い(光学厚さ0.089は7.7nmに相当)ので、厚さの制御は容易になるかもしれない。 Since n and k of the cermet material vary depending not only on its composition but also on the size of the dispersed metal particles, the process is more stable than the formation of a pure metal layer as described in the previous section. Desired. On the other hand, since it is thicker than a pure metal layer (an optical thickness of 0.089 is equivalent to 7.7 nm), the thickness may be easier to control.
[4. まとめ]
TiO2/SiO2多層膜からなる2重共振器バンドパスフィルターの光入射面にCr、Ti0.74Si0.26O1.91サーメットなどの光吸収材料からなる層を形成することにより、フィルターへの入射光のうち、6~12°(透過域)の入射角の光は透過し、23~26°(阻止域)の入射角の光は吸収されるような、吸収型角度選択フィルターを実現した。これを光検出器の手前に設置すると、従来の反射型角度選択フィルターの場合に比べて、S/Nが2.3~3.5倍に向上することが分かった。
[4. summary]
By forming a layer made of a light-absorbing material such as Cr or Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 cermet on the light incident surface of a dual-resonator bandpass filter made of a TiO 2 /SiO 2 multilayer film, the amount of light incident on the filter can be reduced. We have realized an absorption-type angle-selective filter that transmits light with an incident angle of 6 to 12 degrees (transmission range) and absorbs light with an incidence angle of 23 to 26 degrees (stopping range). It was found that when this was installed in front of the photodetector, the S/N was improved by 2.3 to 3.5 times compared to the case of a conventional reflective angle selection filter.
ここでは入射光の波長905nmの場合を扱った。他の波長λの場合も、λにより規格化された屈折率n*=905n/λ、及び消衰係数k*=905k/λが図4又は図11に示される適切な範囲内にあれば、同様の性能が得られる。また、他の異なる透過域、阻止域の場合にも、これに応じた適切な波長選択フィルター(ショートパスフィルター、ロングパスフィルターなど)を基にして設計することにより、吸収型角度選択フィルターの機能を実現することができる。 Here, a case where the wavelength of incident light is 905 nm is treated. In the case of other wavelengths λ, if the refractive index n * =905n/λ normalized by λ and the extinction coefficient k * =905k/λ are within the appropriate ranges shown in FIG. 4 or FIG. Similar performance can be obtained. In addition, in the case of other different transmission bands and stop bands, the function of the absorption angle selection filter can be enhanced by designing based on an appropriate wavelength selection filter (short pass filter, long pass filter, etc.). It can be realized.
[参考文献1]H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 4th ed.(2010)CRC Press, Boca Raton.
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(実施例5~8: 光吸収層を形成する位置)
[1. 概要]
実施例1~4と同様に、透過域が6~12°、阻止域が23~26°の場合を考える。光吸収層の位置が入射面でなくても、入射面に近い位置にあればA-ASFの機能を得ることができる。
(Examples 5 to 8: Position where light absorption layer is formed)
[1. overview]
As in Examples 1 to 4, consider the case where the transmission range is 6 to 12° and the rejection range is 23 to 26°. Even if the light absorption layer is not located at the incident plane, the A-ASF function can be obtained as long as it is located close to the incident plane.
[2. 結果]
以下に、Cr層(5.8nm)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例5)の構成を示す。Cr層は、表面から3層目に形成されている。Cr層以外の各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
0.978SiO2/1.075TiO2/Cr(5.8nm)/1.052SiO2/
(1.075TiO2/1.052SiO2/)21.075TiO2/1.792SiO2/
(1.075TiO2/1.052SiO2/)61.075TiO2/1.792SiO2/
(1.075TiO2/1.052SiO2/)21.075TiO2/Substrate
図18(A)に、上記構成を備えたA-ASFのInoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果を示す。この時、Isignal=0.704、Inoise=0.2、S/N=3.52である。
[2. result]
The structure of an A-ASF (Example 5) including a Cr layer (5.8 nm) and an R-ASF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film is shown below. The Cr layer is formed as the third layer from the surface. The optical thickness of each layer other than the Cr layer is shown in units of 1/4 wavelength.
0.978SiO 2 /1.075TiO 2 /Cr(5.8nm)/1.052SiO 2 /
(1.075TiO 2 /1.052SiO 2 /) 2 1.075TiO 2 /1.792SiO 2 /
(1.075TiO 2 /1.052SiO 2 /) 6 1.075TiO 2 /1.792SiO 2 /
(1.075TiO 2 /1.052SiO 2 /) 2 1.075TiO 2 /Substrate
FIG. 18A shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2 in the A-ASF having the above configuration. At this time, I signal =0.704, I noise =0.2, and S/N = 3.52.
以下に、Cr層(14.9nm)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例6)の構成を示す。Cr層は、表面から5層目に形成されている。Cr層以外の各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
1.194SiO2/1.000TiO2/1.012SiO2/1.000TiO2/
Cr(14.9nm)/1.012SiO2/
(1.000TiO2/1.012SiO2/)11.000TiO2/2.000SiO2/
(1.000TiO2/1.012SiO2/)61.000TiO2/2.000SiO2/
(1.000TiO2/1.012SiO2/)21.120TiO2/Substrate
図18(B)に、上記構成を備えたA-ASFのInoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果を示す。この時、Isignal=0.693、Inoise=0.2、S/N=3.46である。
The structure of an A-ASF (Example 6) including a Cr layer (14.9 nm) and an R-ASF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film is shown below. The Cr layer is formed as the fifth layer from the surface. The optical thickness of each layer other than the Cr layer is shown in units of 1/4 wavelength.
1.194SiO 2 /1.000TiO 2 /1.012SiO 2 /1.000TiO 2 /
Cr(14.9nm) /1.012SiO2/
(1.000TiO 2 /1.012SiO 2 /) 1 1.000TiO 2 /2.000SiO 2 /
(1.000TiO 2 /1.012SiO 2 /) 6 1.000TiO 2 /2.000SiO 2 /
(1.000TiO 2 /1.012SiO 2 /) 2 1.120TiO 2 /Substrate
FIG. 18B shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2 in the A-ASF having the above configuration. At this time, I signal =0.693, I noise =0.2, and S/N = 3.46.
以下に、Ti0.74Si0.26O1.91層(光学厚さ0.22)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例7)の構成を示す。光吸収層は、表面から3層目に形成されている。各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
0.943SiO2/0.987TiO2/0.22Ti0.74Si0.26O1.91/0.972SiO2/
(0.987TiO2/0.972SiO2/)20.987TiO2/2.086SiO2/
(0.987TiO2/0.972SiO2/)60.987TiO2/2.086SiO2/
(0.987TiO2/0.997SiO2/)20.997TiO2/Substrate
図19(A)に、上記構成を備えたA-ASFのInoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果を示す。この時、Isignal=0.699、Inoise=0.2、S/N=3.50である。
The configuration of an A-ASF (Example 7) including an R-ASF consisting of a Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer (optical thickness 0.22) and a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film is shown below. . The light absorption layer is formed as the third layer from the surface. The optical thickness of each layer is shown in quarter wavelengths.
0.943SiO 2 /0.987TiO 2 /0.22Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 /0.972SiO 2 /
(0.987TiO 2 /0.972SiO 2 /) 2 0.987TiO 2 /2.086SiO 2 /
(0.987TiO 2 /0.972SiO 2 /) 6 0.987TiO 2 /2.086SiO 2 /
(0.987TiO 2 /0.997SiO 2 /) 2 0.997TiO 2 /Substrate
FIG. 19(A) shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2 in the A-ASF having the above configuration. At this time, I signal =0.699, I noise =0.2, and S/N = 3.50.
以下に、Ti0.74Si0.26O1.91層(光学厚さ0.42)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例8)の構成を示す。光吸収層は、表面から5層目に形成されている。各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
1.068SiO2/1.077TiO2/0.921SiO2/1.077TiO2/
0.42Ti0.74Si0.26O1.91/0.921SiO2/
(1.077TiO2/0.921SiO2/)11.077TiO2/1.964SiO2/
(1.077TiO2/0.921SiO2/)61.077TiO2/1.964SiO2/
(1.077TiO2/0.921SiO2/)21.282TiO2/Substrate
図19(B)に、上記構成を備えたA-ASFのInoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果を示す。この時、Isignal=0.603、Inoise=0.2、S/N=3.02である。
The configuration of an A-ASF (Example 8) comprising an R-ASF consisting of a Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer (optical thickness 0.42) and a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film is shown below. . The light absorption layer is formed as the fifth layer from the surface. The optical thickness of each layer is shown in quarter wavelengths.
1.068SiO 2 /1.077TiO 2 /0.921SiO 2 /1.077TiO 2 /
0.42Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 /0.921SiO 2 /
(1.077TiO 2 /0.921SiO 2 /) 1 1.077TiO 2 /1.964SiO 2 /
(1.077TiO 2 /0.921SiO 2 /) 6 1.077TiO 2 /1.964SiO 2 /
(1.077TiO 2 /0.921SiO 2 /) 2 1.282TiO 2 /Substrate
FIG. 19(B) shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2 in the A-ASF having the above configuration. At this time, I signal =0.603, I noise =0.2, and S/N = 3.02.
光吸収層は薄いので最表面にあると傷の影響が懸念されるが、内部に形成すればその問題が解消される。また、最表面の場合に比べて光吸収層の厚さは厚くなるので、厚さの制御は容易になる。但し、A-ASFの機能は若干劣る傾向にある。さらに、金属層あるいはサーメット層形成の後に再びTiO2/SiO2層を形成するので、プロセスは複雑になる。 Since the light-absorbing layer is thin, there is a concern that if it is placed on the outermost surface, it may be affected by scratches, but if it is formed inside, this problem will be resolved. Furthermore, since the thickness of the light absorption layer is thicker than that at the outermost surface, the thickness can be easily controlled. However, the functionality of A-ASF tends to be slightly inferior. Furthermore, the process is complicated because the TiO 2 /SiO 2 layer is formed again after the metal layer or cermet layer is formed.
(実施例9~14: 透過域、阻止域に応じた構成)
[1. 概要]
透過域、阻止域に応じてTiO2/SiO2多層膜の適切な構成を選ぶ必要がある。透過域がθT1~θT2、阻止域がθB1~θB2のときの信号光強度(Isignal)、ノイズ光強度(Inoise)を改めて次の式(24)及び式(25)のように定義する。
(Examples 9 to 14: Configuration according to transmission region and rejection region)
[1. overview]
It is necessary to select an appropriate configuration of the TiO 2 /SiO 2 multilayer film depending on the transmission region and the rejection region. When the transmission band is θ T1 to θ T2 and the stop band is θ B1 to θ B2 , the signal light intensity (I signal ) and noise light intensity (I noise ) are rewritten as the following equations (24) and (25). Define.
θT1=0°、θT2=θB1=10°、θB2=30°の場合を考える。実施例1~4の場合とは異なり、光が特定の面により反射されてノイズ光となるのではなく、多数の面からの反射光がバックグラウンドノイズとなる場合である。この場合も2C-BPFを基にしてA-ASFを構成することができるが、透過域/阻止域が接しているので、境界でのT(θ)などの変化がより急峻となるように、実施例1~4の場合に比べて全層数がより多いTiO2/SiO2多層膜が必要である(参考文献5)。 Consider the case where θ T1 =0°, θ T2 =θ B1 =10°, and θ B2 =30°. Unlike the cases in Examples 1 to 4, this is a case in which light is not reflected by a specific surface and becomes noise light, but light reflected from many surfaces becomes background noise. In this case as well, an A-ASF can be constructed based on the 2C-BPF, but since the transmission region and the blocking region are in contact, it is necessary to make changes such as T(θ) at the boundary more steeply. A TiO 2 /SiO 2 multilayer film having a larger total number of layers than in Examples 1 to 4 is required (Reference Document 5).
[2. 結果]
[2.1. 2C-BPFを基にしたA-ASF(実施例9~10)]
以下に、Cr層(2.9nm)と32層のTiO2/SiO2多層膜(2C-BPF)からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例9)の構成を示す。Cr層以外の各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
Cr(2.9nm)/0.914SiO2/(0.980TiO2/1.015SiO2/)3
0.980TiO2/2.036SiO2/(0.980TiO2/1.015SiO2/)7
0.980TiO2/2.036SiO2/(0.980TiO2/1.015SiO2/)2
1.009TiO2/Substrate
図20に、上記構成を備えたA-ASFのInoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果を示す。この時、Isignal=0.666、Inoise=0.2、S/N=3.33である。
[2. result]
[2.1. A-ASF based on 2C-BPF (Examples 9-10)]
The structure of an A-ASF (Example 9) including a Cr layer (2.9 nm) and an R-ASF consisting of a 32-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film (2C-BPF) is shown below. The optical thickness of each layer other than the Cr layer is shown in units of 1/4 wavelength.
Cr(2.9nm) /0.914SiO2/ (0.980TiO2 / 1.015SiO2 /) 3
0.980TiO 2 /2.036SiO 2 /(0.980TiO 2 /1.015SiO 2 /) 7
0.980TiO 2 /2.036SiO 2 /(0.980TiO 2 /1.015SiO 2 /) 2
1.009TiO2 /Substrate
FIG. 20 shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2 in the A-ASF having the above configuration. At this time, I signal =0.666, I noise =0.2, and S/N = 3.33.
以下に、Ti0.74Si0.26O1.91層(光学厚さ0.109)と32層のTiO2/SiO2多層膜(2C-BPF)からなるR-ASFとを備えたA-ASF(実施例10)の構成を示す。Cr層以外の各層の光学厚さは、1/4波長を単位に示されている。
0.109Ti0.74Si0.26O1.91/0.893SiO2/
(1.010TiO2/0.884SiO2/)31.010TiO2/2.150SiO2/
(1.010TiO2/0.884SiO2/)61.010TiO2/2.150SiO2/
(1.010TiO2/0.884SiO2/)20.970TiO2/Substrate
図21に、上記構成を備えたA-ASFのInoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた結果を示す。この時、Isignal=0.668、Inoise=0.2、S/N=3.35である。
Below, an A-ASF (Example 10) comprising an R-ASF consisting of a Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer (optical thickness 0.109) and a 32-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film (2C-BPF) is shown. ) shows the configuration of The optical thickness of each layer other than the Cr layer is shown in units of 1/4 wavelength.
0.109Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 /0.893SiO 2 /
(1.010TiO 2 /0.884SiO 2 /) 3 1.010TiO 2 /2.150SiO 2 /
(1.010TiO 2 /0.884SiO 2 /) 6 1.010TiO 2 /2.150SiO 2 /
(1.010TiO 2 /0.884SiO 2 /) 2 0.970TiO 2 /Substrate
FIG. 21 shows the results of determining the thickness of each layer such that the I signal becomes large under the condition of I noise ≦0.2 in the A-ASF having the above configuration. At this time, I signal =0.668, I noise =0.2, and S/N = 3.35.
実施例1~4にて述べた結果に比べてIsignalが小さく、S/Nが低いのは、透過域/阻止域が接しているので、Inoiseを小さくするためにはIsignalも小さくせざるを得ないからである。T(θ)、A(θ)は、θ≦10°まで大よそ一定であるが、θ=10~15°の範囲で変化し、その後再びほぼ一定値となる。TiO2/SiO2の層数を多くすれば透過域/阻止域境界でのT(θ)などの変化が更に急峻となるので、より大きいIsignalと高いS/Nが得られる。但し、作製の際にはプロセスのより高い安定性が求められる。
また、実施例1~4と同様に、ノイズ光が特定方向から入射する場合、例えばθB1=15°を想定すれば、図20に示されるCr層を用いた構成により、Inoise=0.161、S/N=4.13の優れた特性が得られる。
The reason why the I signal is smaller and the S/N is lower than the results described in Examples 1 to 4 is that the transmission band and stop band are in contact with each other, so in order to reduce the I noise , the I signal must also be reduced. This is because it is inevitable. T(θ) and A(θ) are approximately constant until θ≦10°, but change within the range of θ=10 to 15°, and then become approximately constant again. If the number of TiO 2 /SiO 2 layers is increased, changes in T(θ) and the like at the boundary between the transmission region and the stop region become more steep, so that a larger I signal and a higher S/N can be obtained. However, higher process stability is required during fabrication.
Further, as in Examples 1 to 4, when noise light is incident from a specific direction, assuming, for example, θ B1 =15°, the configuration using the Cr layer shown in FIG. 20 allows I noise =0. 161, excellent characteristics of S/N=4.13 are obtained.
[2.2. SPFを基にしたA-ASF(実施例11~12)]
透過域がより広いときは、これまでに用いた2C-BPFに替えて、ショートパスフィルター(shortpass filter、SPF)を基にした方がより優れた特性を得ることができる。θT1=0°、θT2=θB1=30°、θB2=60°の場合について、Inoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた。
[2.2. A-ASF based on SPF (Examples 11-12)]
When the transmission range is wider, better characteristics can be obtained by using a shortpass filter (SPF) instead of the 2C-BPF used so far. For the cases of θ T1 =0°, θ T2 =θ B1 =30°, and θ B2 =60°, the thickness of each layer was determined so that the I signal would be large under the condition of I noise ≦0.2.
A-ASFには、
(a)Cr層(4nm)と40層のTiO2/SiO2多層膜からなるSPFとを組み合わせたもの(実施例11)、及び、
(b)Ti0.74Si0.26O1.91層(光学厚さ:0.131×1/4波長)と40層のTiO2/SiO2多層膜からなるSPFとを組み合わせたもの(実施例12)
を用いた。
A-ASF has
(a) A combination of a Cr layer (4 nm) and an SPF consisting of a 40-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film (Example 11), and
(b) A combination of Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer (optical thickness: 0.131×1/4 wavelength) and SPF consisting of 40 layers of TiO 2 /SiO 2 multilayer film (Example 12)
was used.
図22(A)に、実施例11のA-ASFの透過率T(θ)、反射率R(θ)、及び吸収率A(θ)の入射角依存性を示す。図22(B)に、図22(A)に示すA-ASFのCr層以外の各層の光学厚さを示す。この時、Isignal=0.589、Inoise=0.2、S/N=2.95である。
図23(A)に、実施例12のA-ASFの透過率T(θ)、反射率R(θ)、及び吸収率A(θ)の入射角依存性を示す。図23(B)に、図23(A)に示すA-ASFのTi0.74Si0.26O1.91層以外の各層の光学厚さを示す。この時、Isignal=0.594、Inoise=0.2、S/N=2.97である。
FIG. 22(A) shows the dependence of the transmittance T(θ), reflectance R(θ), and absorptance A(θ) of the A-ASF of Example 11 on the incident angle. FIG. 22(B) shows the optical thickness of each layer other than the Cr layer of the A-ASF shown in FIG. 22(A). At this time, I signal =0.589, I noise =0.2, and S/N = 2.95.
FIG. 23(A) shows the dependence of the transmittance T(θ), reflectance R(θ), and absorptance A(θ) of the A-ASF of Example 12 on the incident angle. FIG. 23(B) shows the optical thickness of each layer other than the Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer of A-ASF shown in FIG. 23(A). At this time, I signal =0.594, I noise =0.2, and S/N = 2.97.
これまでの場合よりも透過域が広いので、偏光依存性の低減とリップルの抑制がより重要となる。そのためにTiO2層とSiO2層の厚さの差が大きく、また多層膜の中央部から端部に向かって厚さが変化している(参考文献4)。先の場合と同様に透過域/阻止域が接しているため、実施例1~4にて述べた結果に比べてIsignalが小さく、S/Nが低いが、これはTiO2/SiO2の全層数を多くすることにより改良される。また、θB1=35°ならば、図22に示されるCr層を用いた構成により、Inoise=0.142、S/N=4.14の優れた特性が得られる。 Since the transmission range is wider than in the past, reducing polarization dependence and suppressing ripples are more important. Therefore, there is a large difference in thickness between the TiO 2 layer and the SiO 2 layer, and the thickness changes from the center to the ends of the multilayer film (Reference Document 4). As in the previous case, the transmission region/stopping region are in contact with each other, so the I signal is smaller and the S/N is lower than the results described in Examples 1 to 4, but this is due to the TiO 2 /SiO 2 This can be improved by increasing the total number of layers. Further, when θ B1 =35°, the configuration using the Cr layer shown in FIG. 22 provides excellent characteristics of I noise =0.142 and S/N=4.14.
[2.3. LPFを基にしたA-ASF(実施例13~14)]
これまでとは逆に、垂直入射に近い成分を阻止し、入射角が大きい成分を透過させることもできる。これのためには2C-BPF、SPFに替えて、ロングパスフィルター(longpass filter、LPF)が用いられる。θB1=0°、θB2=θT1=10°、θT2=60°の場合について、Inoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた。
[2.3. A-ASF based on LPF (Examples 13-14)]
Contrary to what has been done so far, it is also possible to block components that are close to normal incidence and allow components with a large angle of incidence to pass through. For this purpose, a longpass filter (LPF) is used instead of the 2C-BPF and SPF. For the cases of θ B1 =0°, θ B2 =θ T1 =10°, and θ T2 =60°, the thickness of each layer was determined so that the I signal would be large under the condition of I noise ≦0.2.
A-ASFには、
(a)Cr層(2.5nm)と40層のTiO2/SiO2多層膜からなるLPFとを組み合わせたもの(実施例13)、及び、
(b)Ti0.74Si0.26O1.91層(光学厚さ:0.097×1/4波長)と40層のTiO2/SiO2多層膜からなるLPFとを組み合わせたもの(実施例14)
を用いた。
A-ASF has
(a) A combination of a Cr layer (2.5 nm) and an LPF consisting of a 40-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film (Example 13), and
(b) A combination of a Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer (optical thickness: 0.097×1/4 wavelength) and an LPF consisting of a 40-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film (Example 14)
was used.
図24(A)に、実施例13のA-ASFの透過率T(θ)、反射率R(θ)、及び吸収率A(θ)の入射角依存性を示す。図24(B)に、図24(A)に示すA-ASFのCr層以外の各層の光学厚さを示す。この時、Isignal=0.656、Inoise=0.2、S/N=3.28である。
図25(A)に、実施例14のA-ASFの透過率T(θ)、反射率R(θ)、及び吸収率A(θ)の入射角依存性を示す。図25(B)に、図25(A)に示すA-ASFのTi0.74Si0.26O1.91層以外の各層の光学厚さを示す。この時、Isignal=0.656、Inoise=0.2、S/N=3.28である。
FIG. 24(A) shows the dependence of the transmittance T(θ), reflectance R(θ), and absorptance A(θ) of the A-ASF of Example 13 on the incident angle. FIG. 24(B) shows the optical thickness of each layer other than the Cr layer of the A-ASF shown in FIG. 24(A). At this time, I signal =0.656, I noise =0.2, and S/N = 3.28.
FIG. 25(A) shows the dependence of the transmittance T(θ), reflectance R(θ), and absorptance A(θ) of the A-ASF of Example 14 on the incident angle. FIG. 25(B) shows the optical thickness of each layer other than the Ti 0.74 Si 0.26 O 1.91 layer of A-ASF shown in FIG. 25(A). At this time, I signal =0.656, I noise =0.2, and S/N = 3.28.
透過域が広いので、リップルの抑制がより重要となること、TiO2/SiO2の全層数を多くすることにより特性が改良されることは先に示したSPFを基にした場合と同様であるが、TiO2層とSiO2層の厚さの変化の仕方は異なる。また、θT1=20°ならば、図24に示されるCrを用いた構成により、Isignal=0.724、Inoise=0.2、S/N=3.62の優れた特性が得られる。 As the transmission range is wide, suppression of ripples becomes more important, and the characteristics are improved by increasing the total number of TiO 2 /SiO 2 layers, similar to the case based on SPF shown earlier. However, the way the thickness of the TiO 2 layer and the SiO 2 layer change is different. Furthermore, if θ T1 =20°, the configuration using Cr shown in FIG. 24 provides excellent characteristics of I signal =0.724, I noise =0.2, and S/N =3.62. .
(実施例15: 入射光の波長)
[1. 概要]
入射光の波長905nm用にチューニングした構造を備えた光学フィルターに対して、波長の異なる光を入射させた時の選択角度を検討した。光学フィルターは、実施例11(SPFを基にしたA-ASFであって、光吸収層としてCrを使用したもの)と同一とした。
(Example 15: Wavelength of incident light)
[1. overview]
We investigated the selection angle when light of different wavelengths were incident on an optical filter with a structure tuned for the wavelength of incident light of 905 nm. The optical filter was the same as in Example 11 (A-ASF based on SPF, using Cr as the light absorption layer).
[2. 結果]
図26(A)~図26(C)に、波長905nm用にチューニングされたA-ASFに対して、波長905nm、905.9nm、又は906.8nmの単色光を入射させた時の透過率T(θ)、反射率R(θ)、及び吸収率A(θ)の入射角度依存性を示す。図26より、光学フィルターの構造が同一であっても、入射光の波長が変わると選択角度も変わることが分かる。
[2. result]
26(A) to 26(C) show the transmittance T when monochromatic light with a wavelength of 905 nm, 905.9 nm, or 906.8 nm is incident on an A-ASF tuned for a wavelength of 905 nm. (θ), reflectance R(θ), and absorption rate A(θ) on incident angle dependence. From FIG. 26, it can be seen that even if the structure of the optical filter is the same, the selection angle changes as the wavelength of the incident light changes.
(実施例21~26: 相変化材料を備えた光学フィルター)
[1. はじめに]
指向性光検出器のSN比を向上させるためには、特定の方向から入射する光のみを透過するような角度選択フィルター(angle-selective filter, ASF)が有効である。検出器に入射する光が単色の場合、誘電体多層膜からなる波長選択フィルター(wavelength-selective filter, WSF)をASFとして用いることができる。WSFは、白色光あるいは複数の波長を含む光から特定の波長のみを選択的に透過し、他は反射するものであり、通常は光を垂直に近い角度で入射して用いられる。一方、位相差の観点からは、斜入射は長波長と等価であるので(参考文献1)、これらのフィルターは所定の波長に対するASFとして機能する(参考文献4、5、24)。
(Examples 21 to 26: Optical filter with phase change material)
[1. Introduction]
In order to improve the signal-to-noise ratio of a directional photodetector, an angle-selective filter (ASF) that transmits only light incident from a specific direction is effective. When the light incident on the detector is monochromatic, a wavelength-selective filter (WSF) made of a dielectric multilayer film can be used as the ASF. WSF selectively transmits only a specific wavelength from white light or light containing a plurality of wavelengths, and reflects the others, and is usually used with light incident at an angle close to perpendicular. On the other hand, from the perspective of phase difference, grazing incidence is equivalent to a long wavelength (Reference 1), so these filters function as an ASF for a predetermined wavelength (
但し、誘電体多層膜を用いた場合、ASFにより反射された光が、検出器が備えられた装置の筐体や光学窓により反射されて迷光となるので、検出器に到達してノイズの原因となり得る。特に、装置を小型化すると迷光の影響を受けやすくなる。 However, when a dielectric multilayer film is used, the light reflected by the ASF is reflected by the casing and optical window of the device equipped with the detector and becomes stray light, which may reach the detector and cause noise. It can be. In particular, as devices become smaller, they become more susceptible to stray light.
そこで、ASFの光入射面又はそれに近い位置に遷移金属、サーメットなどの消衰係数が大きい光吸収材料の層を形成し、光吸収層の位置での入射光の電場振幅が、透過域では大きく、阻止域では小さくなるようにASFを構成する各層の厚さを調節すると、透過域の光は透過するが、阻止域の光は大部分が吸収されるような、吸収型角度選択フィルター(absorption-type angle-selective filter, A-ASF)を構成することができる(上述した実施例1~15)。これにより、実装上の制約が小さくなる。 Therefore, a layer of a light-absorbing material with a large extinction coefficient, such as a transition metal or cermet, is formed on or near the light-incidence surface of the ASF, so that the electric field amplitude of the incident light at the position of the light-absorbing layer becomes large in the transmission region. By adjusting the thickness of each layer constituting the ASF so that it is smaller in the stopband, an absorption angle selective filter is created in which light in the transmission range is transmitted, but most of the light in the stopband is absorbed. -type angle-selective filter, A-ASF) (Examples 1 to 15 described above). This reduces implementation constraints.
但し、A-ASFに用いられる光吸収層の厚さは数nmと薄く、更に、この厚さの僅かなずれや材料自体の光学特性の僅かな変動がA-ASFの特性に著しく影響する。そのため、所望の特性のA-ASFを安定して作製することは容易ではない。そこで、光吸収層にGe2Sb2Te5(GST)、AgInSbTeなどの相変化材料を用い、多層膜の形成後に熱処理を施して、その光学特性を調節する作製方法を提案する。 However, the thickness of the light absorption layer used in A-ASF is as thin as several nanometers, and furthermore, a slight deviation in this thickness or a slight variation in the optical properties of the material itself significantly affects the properties of A-ASF. Therefore, it is not easy to stably produce A-ASF with desired characteristics. Therefore, we propose a manufacturing method in which a phase change material such as Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) or AgInSbTe is used for the light absorption layer, and a heat treatment is performed after forming a multilayer film to adjust its optical properties.
[2. 相変化材料を用いた吸収型角度選択フィルター(A-ASF)]
GSTなどの相変化材料は、DVDなどの光記録材料に用いられている(参考文献25~27)。通常は、成膜後はアモルファスであって消衰係数が小さいが、これを加熱すると結晶化して消衰係数が大きくなる。DVDの記録の際には、レーザー照射加熱により結晶状態にある記録マークを形成する。この部分の光反射率が低くなるので、反射率が高いアモルファス(未記録)部分と区別することができる。
[2. Absorption angle selective filter (A-ASF) using phase change material]
Phase change materials such as GST are used in optical recording materials such as DVDs (References 25-27). Normally, after the film is formed, it is amorphous and has a small extinction coefficient, but when it is heated, it crystallizes and the extinction coefficient increases. When recording on a DVD, recording marks in a crystalline state are formed by laser irradiation and heating. Since the light reflectance of this portion is low, it can be distinguished from the amorphous (unrecorded) portion, which has a high reflectance.
この材料をA-ASFの光吸収層に用いる。成膜後はGSTの消衰係数が小さいので、A-ASFの透過域の透過率は高いが、阻止域の反射率も高い状態にある。その後、熱処理を施せば、GSTが徐々に結晶化し、その消衰係数が大きくなるので、透過域の透過率、阻止域の反射率が共に低下する。A-ASFの光学特性をモニターしながら所望の特性になったところで、熱処理を止める。 This material is used for the light absorption layer of A-ASF. After film formation, since the extinction coefficient of GST is small, the transmittance of the A-ASF in the transmission region is high, but the reflectance in the stop region is also high. If heat treatment is then performed, GST will gradually crystallize and its extinction coefficient will increase, so that both the transmittance in the transmission region and the reflectance in the stop region will decrease. While monitoring the optical properties of A-ASF, the heat treatment is stopped when the desired properties are achieved.
DVDの場合には、数10nsの間に結晶化(記録)を生じさせるため、400~500℃の高温にまで加熱される(参考文献26、27)。しかし、20分程度の長時間の熱処理ならば160℃でも結晶化が生じ、100℃で既に消衰係数の増大が見られる(参考文献28)。誘電体多層膜を蒸着により形成する際には、通常は試料の温度が200℃程度までは自然に上昇するので、その後の160℃までの熱処理ならば、基板や誘電体多層膜に対する影響は小さいと考えられる。 In the case of a DVD, it is heated to a high temperature of 400 to 500° C. in order to cause crystallization (recording) within several tens of nanoseconds (References 26, 27). However, if the heat treatment is for a long time of about 20 minutes, crystallization occurs even at 160°C, and an increase in the extinction coefficient is already observed at 100°C (Reference Document 28). When forming a dielectric multilayer film by vapor deposition, the temperature of the sample usually rises naturally to about 200°C, so if the temperature is then heat-treated to 160°C, there will be little effect on the substrate or dielectric multilayer film. it is conceivable that.
[3. 吸収型角度選択フィルター(A-ASF)の設計]
GSTを用いたA-ASFを設計した。入射光の波長は、905nmに設定した。シリカガラス基板にTiO2(屈折率:2.299)/SiO2(屈折率:1.47)多層膜、次いでGST膜を形成した。これに130℃、20分の熱処理を施した際に所望の光学特性が得られるような各層の厚さの最適値を求めた。この際に、GST層の厚さが最適値からずれても、適切な温度で熱処理を施せば、所望の光学特性が得られることを示す。
[3. Design of absorption angle selection filter (A-ASF)]
We designed A-ASF using GST. The wavelength of the incident light was set to 905 nm. A TiO 2 (refractive index: 2.299)/SiO 2 (refractive index: 1.47) multilayer film and then a GST film were formed on a silica glass substrate. The optimal value of the thickness of each layer was determined so that desired optical characteristics could be obtained when this was subjected to heat treatment at 130° C. for 20 minutes. In this case, it is shown that even if the thickness of the GST layer deviates from the optimum value, desired optical characteristics can be obtained if heat treatment is performed at an appropriate temperature.
光検出器に信号がθT1~θT2の入射角で、装置の筐体や他の光学素子により反射されて生じるノイズ光がθB1~θB2の入射角で、それぞれ入射するときに、透過域がθT1~θT2、阻止域がθB1~θB2のA-ASFを光検出器の手前に取り付ける場合を想定する。これらから外れた範囲の入射角の特性は問わないことにする。
上述したように、信号光強度(Isignal)、ノイズ光強度(Inoise)をそれぞれ次の式(24)及び式(25)のように定義する。
When a signal enters the photodetector at an angle of incidence of θ T1 to θ T2 , and noise light generated by being reflected by the device housing or other optical elements enters the photodetector at an angle of incidence of θ B1 to θ B2 , the signal is transmitted. Assume that an A-ASF with a range of θ T1 to θ T2 and a stop band of θ B1 to θ B2 is installed in front of a photodetector. The characteristics of incident angles outside these ranges are not considered.
As described above, the signal light intensity (I signal ) and the noise light intensity (I noise ) are defined as in the following equations (24) and (25), respectively.
ここで、T(θ)、R(θ)は、それぞれ、入射角θに依存した透過率と反射率である。式(25)中のT(θ)+R(θ)は、A-ASFにより反射された光がすべて迷光となって光検出器に到達するという仮定に基づく。実際には、反射光の全量が光検出器に到達するわけではなく、その到達比率は装置に依存する。但し、後に示されるように、阻止域ではT(θ)≒0であるため、各層の厚さや熱処理条件を変えたときのInoiseの相対的な変化は式(25)により正しく評価することができる。 Here, T(θ) and R(θ) are transmittance and reflectance depending on the incident angle θ, respectively. T(θ)+R(θ) in equation (25) is based on the assumption that all the light reflected by the A-ASF reaches the photodetector as stray light. In reality, not all of the reflected light reaches the photodetector, the proportion of which reaches the photodetector depends on the device. However, as will be shown later, since T(θ)≈0 in the stopband, the relative change in I noise when changing the thickness of each layer or heat treatment conditions cannot be correctly evaluated using equation (25). can.
図27に、Ge2Sb2Te5(GST)の複素屈折率(n+ik)の熱処理温度依存性を示す。GSTの複素屈折率(n+ik)の熱処理温度依存性には、参考文献28により推定された、図27の値を用いる。A-ASFの機能を得るためには、誘電体多層膜の各層の厚さλ/(4n)≒100~150nm(λは波長、nは屈折率)よりも十分に薄い光吸収層を透過する間に阻止域の入射光が吸収されなければならない。従って、吸収材料の複素屈折率がπk/n≧1を満たすことが求められる。図27の値は、この条件を満たす。 FIG. 27 shows the heat treatment temperature dependence of the complex refractive index (n+ik) of Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST). For the heat treatment temperature dependence of the complex refractive index (n+ik) of GST, the values shown in FIG. 27 estimated from Reference 28 are used. In order to obtain the A-ASF function, light must pass through a light absorption layer that is sufficiently thinner than the thickness of each layer of the dielectric multilayer film, λ/(4n) ≒ 100 to 150 nm (λ is the wavelength and n is the refractive index). In between, the incident light in the stopband must be absorbed. Therefore, it is required that the complex refractive index of the absorbing material satisfies πk/n≧1. The values in FIG. 27 satisfy this condition.
[4. 結果と考察]
A-ASFの透過域、阻止域に応じて、TiO2/SiO2多層膜の適切な構造を選ぶ必要がある。
[4. Results and discussion]
It is necessary to select an appropriate structure of the TiO 2 /SiO 2 multilayer film depending on the transmission range and rejection range of A-ASF.
[4.1. 2重共振器バンドパスフィルターの利用]
[4.1.1. θT1~θT2=6~12°、θB1~θB2=23~26°の場合]
まず、θT1~θT2=6~12°、θB1~θB2=23~26°の場合を考える。このように、透過域が狭く、0°(垂直入射)に近い場合には、2重共振器バンドパスフィルター(2-cavity bandpass filter, 2C-BPF)の利用が適切である。BPFの基本構造は、光学厚さλ/4の高屈折率/低屈折率層を積層したブラッグ反射鏡により、共振器長を決める光学厚さλ/2の層を挟んだものである(参考文献1)。λ/2層を2層設けると、その間のブラッグ反射鏡の厚さに応じて透過域(波長又は入射角の範囲)が広がる(参考文献5)。
[4.1. Use of double resonator bandpass filter]
[4.1.1. When θ T1 to θ T2 = 6 to 12°, θ B1 to θ B2 = 23 to 26°]
First, consider the case where θ T1 to θ T2 = 6 to 12 degrees and θ B1 to θ B2 = 23 to 26 degrees. Thus, when the transmission band is narrow and close to 0° (normal incidence), it is appropriate to use a 2-cavity bandpass filter (2C-BPF). The basic structure of a BPF is a Bragg reflector made of laminated high and low refractive index layers with an optical thickness of λ/4, sandwiching a layer with an optical thickness of λ/2 that determines the cavity length (Reference Reference 1). When two λ/2 layers are provided, the transmission range (wavelength or incident angle range) is expanded depending on the thickness of the Bragg reflector between them (Reference Document 5).
ここでは、28層の2C-BPFを基にして、
(a)ブラッグ反射鏡を構成するTiO2/SiO2のそれぞれの光学厚さ、
(b)共振器長(1/2波長層の光学厚さ)、
(c)光入射面層及び基板(シリカガラス)に接する層の光学厚さ、及び
(d)光入射面のGST層(複屈折率は130℃熱処理の値)の厚さ、
の合計6つを独立のパラメータとして扱い、Inoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような値を求めた。光入射面層及び基板に接する層の厚さの調節は、透過域でのリップルを低減するために必要である。
Here, based on the 28-layer 2C-BPF,
(a) Each optical thickness of TiO 2 /SiO 2 constituting the Bragg reflector,
(b) resonator length (optical thickness of 1/2 wavelength layer),
(c) the optical thickness of the layer in contact with the light entrance surface layer and the substrate (silica glass), and (d) the thickness of the GST layer on the light entrance surface (birefringence is the value of heat treatment at 130 ° C.),
A total of six parameters were treated as independent parameters, and a value was determined that would increase I signal under the condition of I noise ≦0.2. Adjustment of the thickness of the light entrance surface layer and the layer contacting the substrate is necessary to reduce ripples in the transmission region.
[A. GST層と2C-BPFとを備えたA-ASF(実施例21)]
以下に、GST層(Xnm)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなる2C-BPFとを組み合わせたA-ASF(実施例21)の構成を示す。ここで、TiO2/SiO2層の各層の厚さは、1/4波長を単位とする光学厚さにより示されている。
Ge2Sb2Tb5(Xnm)/0.725SiO2/
(1.269TiO2/0.725SiO2/)31.269TiO2/1.828SiO2/
(1.269TiO2/0.725SiO2/)61.269TiO2/1.828SiO2/
(1.269TiO2/0.725SiO2/)21.269TiO2/substrate
[A. A-ASF with GST layer and 2C-BPF (Example 21)]
The structure of A-ASF (Example 21), which is a combination of a GST layer (X nm) and a 2C-BPF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film, is shown below. Here, the thickness of each layer of the TiO 2 /SiO 2 layer is indicated by the optical thickness in units of 1/4 wavelength.
Ge 2 Sb 2 Tb 5 (Xnm)/0.725SiO 2 /
(1.269TiO 2 /0.725SiO 2 /) 3 1.269TiO 2 /1.828SiO 2 /
(1.269TiO 2 /0.725SiO 2 /) 6 1.269TiO 2 /1.828SiO 2 /
(1.269TiO 2 /0.725SiO 2 /) 2 1.269TiO 2 /substrate
透過域及び阻止域が上記の範囲にある場合において、熱処理温度が130℃である時には、GST層の厚さXの最適値は、3.1nmである。以下では、GST層の厚さXが、最適値、最適値-30%、及び、最適値+30%である場合について、それぞれ、検討した。 When the transmission region and the rejection region are within the above ranges and the heat treatment temperature is 130° C., the optimum value of the thickness X of the GST layer is 3.1 nm. In the following, the cases where the thickness X of the GST layer is the optimum value, the optimum value -30%, and the optimum value +30% are examined, respectively.
[A.1. 130℃での熱処理後の光学特性]
図28~図30に、それぞれ、厚さの異なるGST層と2C-BPFとを組み合わせたA-ASFに対し、130℃で熱処理を施した時(実施例21-1)の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び吸収スペクトルA(θ)を示す。図31に、このA-ASF(熱処理温度:130℃)のGST層の厚さの誤差と、光学特性との関係を示す。
[A. 1. Optical properties after heat treatment at 130°C]
28 to 30 respectively show the transmission spectra T( θ), reflection spectrum R(θ), and absorption spectrum A(θ). FIG. 31 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of this A-ASF (heat treatment temperature: 130° C.) and the optical characteristics.
GST層の厚さが最適値にある場合、図31に示すように、Isignal=0.70、Inoise=0.20が得られる。しかし、GST層の厚さが130℃熱処理の最適値(3.1nm)より厚くなるとR(θ)が小さくなるのでInoiseは低下するものの、T(θ)も小さくなるのでIsignalも低下する。逆に、GST層の厚さが最適値より薄くなると、Isignalは向上するもの、Inoiseも増大してしまう。 When the thickness of the GST layer is at the optimum value, I signal =0.70 and I noise =0.20 are obtained, as shown in FIG. However, when the thickness of the GST layer becomes thicker than the optimum value (3.1 nm) for 130°C heat treatment, R(θ) becomes smaller and I noise decreases, but T(θ) also becomes smaller and I signal also decreases. . Conversely, if the thickness of the GST layer becomes thinner than the optimum value, the I signal will improve, but the I noise will also increase.
[A.2. 適切な温度での熱処理後の光学特性]
図32~図34に、それぞれ、厚さの異なるGST層と2C-BPFとを組み合わせたA-ASFに対し、適切な温度(図35参照)で熱処理を施した時(実施例21-2)の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び吸収スペクトルA(θ)を示す。図35に、このA-ASFのGST層の厚さの誤差と、適切な熱処理温度との関係を示す。図36に、このA-ASF(熱処理温度:適切な温度)のGST層の厚さの誤差と、光学特性との関係を示す。
[A. 2. Optical properties after heat treatment at appropriate temperature]
Figures 32 to 34 show cases in which A-ASF, which is a combination of GST layers and 2C-BPF with different thicknesses, is heat-treated at an appropriate temperature (see Figure 35) (Example 21-2) The transmission spectrum T(θ), the reflection spectrum R(θ), and the absorption spectrum A(θ) are shown. FIG. 35 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of this A-ASF and the appropriate heat treatment temperature. FIG. 36 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF (heat treatment temperature: appropriate temperature) and the optical characteristics.
GST層の厚さが変動した場合に、それぞれに適切な温度で熱処理を施すと、図32~図34よりわかるように、厚さが130℃熱処理の最適値の場合に近いT(θ)、R(θ)、A(θ)が得られる。その結果、図35及び図36に示されるように、GST層の厚さが±30%変動しても、Isignal≧0.68、Inoise=0.20(最適厚さでは、Isignal=0.70、Inoise=0.20)となる。熱処理温度は100~160℃の範囲であるから、先に述べたように基板やTiO2/SiO2多層膜に対する影響は小さいと考えられる。 When the thickness of the GST layer varies and heat treatment is applied to each layer at an appropriate temperature, as can be seen from FIGS. 32 to 34, T(θ) and R(θ) and A(θ) are obtained. As a result, as shown in FIGS. 35 and 36, even if the thickness of the GST layer varies by ±30%, I signal ≧0.68, I noise = 0.20 (at the optimal thickness, I signal = 0.70, I noise =0.20). Since the heat treatment temperature is in the range of 100 to 160° C., it is thought that the effect on the substrate and the TiO 2 /SiO 2 multilayer film is small, as mentioned above.
[A.3. 熱処理前の光学特性]
図37~図39に、それぞれ、厚さの異なるGST層と2C-BPFとを組み合わせたA-ASFの熱処理前(実施例21-3)の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び吸収スペクトルA(θ)を示す。図40に、このA-ASFのGST層の厚さの誤差と、熱処理前の入射角30°での反射率R(30°)との関係を示す。図41に、このA-ASFの熱処理前の入射角30°での反射率R(30°)と、適切な熱処理温度との関係を示す。
[A. 3. Optical properties before heat treatment]
37 to 39 respectively show the transmission spectrum T(θ) and reflection spectrum R(θ ), and the absorption spectrum A(θ) is shown. FIG. 40 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of this A-ASF and the reflectance R (30°) at an incident angle of 30° before heat treatment. FIG. 41 shows the relationship between the reflectance R (30°) of this A-ASF at an incident angle of 30° before heat treatment and the appropriate heat treatment temperature.
阻止域(23~26°)及びこれに近い領域のR(θ)がGST層の厚さに敏感に影響されることが図38及び図29からわかる。そこで、この値をモニターしながら所望の特性になったところで熱処理を止めるのが適切である。
あるいは、図40及び図41に示されるように、R(30°)のような熱処理前の特性、GST層の厚さ、及び、適切な熱処理温度をあらかじめ関連づけることもできる。この場合、熱処理前の特性又はGST層の厚さがわかると、適切な熱処理温度を一義的に求めることができる。
It can be seen from FIGS. 38 and 29 that R(θ) in the stopband (23° to 26°) and a region close thereto is sensitively influenced by the thickness of the GST layer. Therefore, it is appropriate to monitor this value and stop the heat treatment when the desired characteristics are achieved.
Alternatively, as shown in FIGS. 40 and 41, characteristics before heat treatment such as R (30°), thickness of the GST layer, and appropriate heat treatment temperature can be associated in advance. In this case, if the characteristics or the thickness of the GST layer before heat treatment are known, an appropriate heat treatment temperature can be uniquely determined.
[B. Cr層と2C-BPFとを備えたA-ASF(実施例22)]
比較のため、光吸収材料にCr(n+ik=3.32+i3.53(参考文献8))を用いた例について検討する。
以下に、Cr層(Xnm)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなる2C-BPFとを組み合わせたA-ASF(実施例22)の構成を示す。ここで、TiO2/SiO2層の各層の厚さは、1/4波長を単位とする光学厚さにより示されている。
Cr(Xnm)/0.952SiO2/(1.060TiO2/0.952SiO2/)3
1.060TiO2/1.962SiO2/(1.060TiO2/0.952SiO2/)6
1.060TiO2/1.962SiO2/(1.060TiO2/0.952SiO2/)2
1.060TiO2/Substrate
[B. A-ASF with Cr layer and 2C-BPF (Example 22)]
For comparison, consider an example in which Cr (n+ik=3.32+i3.53 (Reference 8)) is used as the light-absorbing material.
The structure of an A-ASF (Example 22) in which a Cr layer (X nm) and a 2C-BPF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film is combined is shown below. Here, the thickness of each layer of the TiO 2 /SiO 2 layer is indicated by the optical thickness in units of 1/4 wavelength.
Cr(Xnm) /0.952SiO2/ ( 1.060TiO2 /0.952SiO2 / ) 3
1.060TiO 2 /1.962SiO 2 /(1.060TiO 2 /0.952SiO 2 /) 6
1.060TiO 2 /1.962SiO 2 /(1.060TiO 2 /0.952SiO 2 /) 2
1.060TiO2 /Substrate
透過域及び阻止域が上記の範囲にある場合、Cr層の厚さXの最適値は、2.4nmである。以下では、Cr層の厚さXが、最適値、最適値-30%、及び、最適値+30%である場合について、それぞれ、検討した。 When the transmission region and the rejection region are in the above ranges, the optimum value of the thickness X of the Cr layer is 2.4 nm. In the following, the cases where the thickness X of the Cr layer is the optimum value, the optimum value -30%, and the optimum value +30% are respectively investigated.
図42~図44に、それぞれ、厚さの異なるCr層と2C-BPFとを組み合わせたA-ASF(実施例22)の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び、吸収スペクトルA(θ)を示す。図45に、このA-ASFのCr層の厚さの誤差と、光学特性との関係を示す。
図28~図31(GST熱処理温度:130℃)と同様に、Cr層の厚さが最適値(2.4nm)のときには優れた特性が得られるが、この値からずれると、特性が低下する。
42 to 44 respectively show the transmission spectrum T(θ), reflection spectrum R(θ), and absorption spectrum of A-ASF (Example 22), which combines a Cr layer with different thickness and 2C-BPF. Spectrum A(θ) is shown. FIG. 45 shows the relationship between the error in the thickness of the Cr layer of this A-ASF and the optical characteristics.
Similar to Figures 28 to 31 (GST heat treatment temperature: 130°C), excellent characteristics are obtained when the thickness of the Cr layer is at the optimum value (2.4 nm), but when it deviates from this value, the characteristics deteriorate. .
[4.1.2. θT1~θT2=0~10°、θB1~θB2=10~30°の場合]
次に、θT1~θT2=0~10°、θB1~θB2=10~30°の場合を考える。この場合も、2C-BPFを用いてA-ASFを構成することができる。先ほどの場合と同様に、Inoise≦0.20の条件下でIsignalが大きくなるような各層の最適厚さを求めた。
[4.1.2. When θ T1 to θ T2 = 0 to 10°, θ B1 to θ B2 = 10 to 30°]
Next, consider the case where θ T1 to θ T2 =0 to 10° and θ B1 to θ B2 =10 to 30°. In this case as well, A-ASF can be configured using 2C-BPF. As in the previous case, the optimum thickness of each layer was determined so that the I signal would be large under the condition of I noise ≦0.20.
以下に、GST層(Xnm)と28層のTiO2/SiO2多層膜からなる2C-BPFとを組み合わせたA-ASF(実施例23)の構成を示す。ここで、TiO2/SiO2層の各層の厚さは、1/4波長を単位とする光学厚さにより示されている。
Ge2Sb2Te5(Xnm)/0.828SiO2/
(1.013TiO2/0.863SiO2/)31.013TiO2/2.174SiO2/
(1.013TiO2/0.863SiO2/)61.013TiO2/2.174SiO2/
(1.013TiO2/0.863SiO2/)20.912TiO2/Substrate
The structure of A-ASF (Example 23), which is a combination of a GST layer (X nm) and a 2C-BPF consisting of a 28-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film, is shown below. Here, the thickness of each layer of the TiO 2 /SiO 2 layer is indicated by the optical thickness in units of 1/4 wavelength.
Ge 2 Sb 2 Te 5 (Xnm)/0.828SiO 2 /
(1.013TiO 2 /0.863SiO 2 /) 3 1.013TiO 2 /2.174SiO 2 /
(1.013TiO 2 /0.863SiO 2 /) 6 1.013TiO 2 /2.174SiO 2 /
(1.013TiO 2 /0.863SiO 2 /) 2 0.912TiO 2 /Substrate
透過域及び阻止域が上記の範囲にある場合において、熱処理温度が130℃である時には、GST層の厚さXの最適値は、3.7nmである。以下では、GST層の厚さXが、最適値、最適値-30%、及び、最適値+30%である場合について、それぞれ、検討した。 When the transmission region and the rejection region are in the above ranges and the heat treatment temperature is 130° C., the optimum value of the thickness X of the GST layer is 3.7 nm. In the following, the cases where the thickness X of the GST layer is the optimum value, the optimum value -30%, and the optimum value +30% are examined, respectively.
図46~図48に、それぞれ、厚さの異なるGST層と2C-BPFとを組み合わせたA-ASF(実施例23)に対し、それぞれ、適切な温度(図49参照)で熱処理を施した時の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び、吸収スペクトルA(θ)を示す。図49に、このA-ASFのGST層の厚さの誤差と、適切な熱処理温度との関係を示す。図50に、このA-ASF(熱処理温度:適切な温度)のGST層の厚さの誤差と、光学特性との関係を示す。 Figures 46 to 48 show the results of A-ASF (Example 23), which is a combination of GST layers and 2C-BPF with different thicknesses, each subjected to heat treatment at an appropriate temperature (see Figure 49). The transmission spectrum T(θ), the reflection spectrum R(θ), and the absorption spectrum A(θ) are shown. FIG. 49 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of this A-ASF and the appropriate heat treatment temperature. FIG. 50 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF (heat treatment temperature: appropriate temperature) and the optical characteristics.
GST層の厚さが130℃熱処理の最適値(3.7nm)の場合には、Isignal=0.66、Inoise=0.20である。なお、今の場合は、透過域と阻止域が接しているので、先に述べた透過域と阻止域が離れている場合よりもIsignalが小さくなることは避けられない。また、厚さが±30%変動しても、適切な温度で熱処理することにより、Isignal≧0.65、Inoise=0.20という遜色ない値が確保されている。 When the thickness of the GST layer is the optimum value (3.7 nm) for 130° C. heat treatment, I signal =0.66 and I noise =0.20. In this case, since the transmission region and the stop region are in contact with each other, it is inevitable that the I signal will be smaller than in the case where the transmission region and the stop region are separated from each other. Moreover, even if the thickness varies by ±30%, comparable values of I signal ≧0.65 and I noise =0.20 are secured by heat treatment at an appropriate temperature.
図51に、実施例23のA-ASFのGST層の厚さの誤差と、熱処理前の入射角30°での反射率R(30°)との関係を示す。図52に、実施例23のA-ASFの熱処理前の入射角30°での反射率R(30°)と、適切な熱処理温度との関係を示す。
図51及び図52に示されるように、R(30°)のような熱処理前の特性、GST層の厚さ、及び、適切な熱処理温度の関係をあらかじめ把握しておくと、熱処理前の特性又はGST層の厚さから、適切な熱処理温度を一義的に求めることができる。
FIG. 51 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF of Example 23 and the reflectance R (30°) at an incident angle of 30° before heat treatment. FIG. 52 shows the relationship between the reflectance R (30°) of A-ASF of Example 23 at an incident angle of 30° before heat treatment and the appropriate heat treatment temperature.
As shown in FIGS. 51 and 52, if the relationship between the characteristics before heat treatment such as R (30°), the thickness of the GST layer, and the appropriate heat treatment temperature is understood in advance, the characteristics before heat treatment Alternatively, an appropriate heat treatment temperature can be determined uniquely from the thickness of the GST layer.
[4.2. ショートパスフィルターの利用]
[4.2.1. θT1~θT2=6~12°、θB1~θB2=23~26°の場合]
ショートパスフィルター(shortpass filter, SPF)を用いても、A-ASF特性を得ることができる。最初に示した、θT1~θT2=6~12°、θB1~θB2=23~26°の場合のA-ASF(実施例24)を、40層のTiO2/SiO2多層膜からなるSPFを基にして設計した。先と同様に、Inoise≦0.20の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた。
[4.2. Use of short pass filter]
[4.2.1. When θ T1 to θ T2 = 6 to 12°, θ B1 to θ B2 = 23 to 26°]
A-ASF characteristics can also be obtained using a shortpass filter (SPF). The first A-ASF (Example 24) in the case of θ T1 to θ T2 = 6 to 12 degrees and θ B1 to θ B2 = 23 to 26 degrees is made from a 40-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film. It was designed based on the SPF. As before, the thickness of each layer was determined so that the I signal would be large under the condition of I noise ≦0.20.
透過域及び阻止域が上記の範囲にある場合において、熱処理温度が130℃である時には、GST層の厚さXの最適値は、3.1nmである。以下では、GST層の厚さXが、最適値、最適値-30%、及び、最適値+30%である場合について、それぞれ、検討した。 When the transmission region and the rejection region are within the above ranges and the heat treatment temperature is 130° C., the optimum value of the thickness X of the GST layer is 3.1 nm. In the following, the cases where the thickness X of the GST layer is the optimum value, the optimum value -30%, and the optimum value +30% are examined, respectively.
図53~図55に、厚さの異なるGST層とSPFとを組み合わせたA-ASF(実施例24)に対し、それぞれ、適切な温度(図57参照)で熱処理した時の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び、吸収スペクトルA(θ)を示す。図56に、このA-ASFに備えられるSPFの各層の光学厚さを示す。図57に、このA-ASFのGST層の厚さの誤差と、適切な熱処理温度との関係を示す。図58に、このA-ASF(熱処理温度:適切な温度)のGST層の厚さの誤差と、光学特性との関係を示す。 53 to 55 show the transmission spectra T( θ), a reflection spectrum R(θ), and an absorption spectrum A(θ). FIG. 56 shows the optical thickness of each layer of the SPF included in this A-ASF. FIG. 57 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of this A-ASF and the appropriate heat treatment temperature. FIG. 58 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF (heat treatment temperature: appropriate temperature) and the optical characteristics.
GST層の厚さが130℃熱処理の最適値(3.1nm)から±30%変動しても、それぞれ、適切な温度で熱処理を施すことにより、2C-BPFを基にした場合(図32~図36)に近い、Isignal=0.70~0.71、Inoise=0.20が得られる。2C-BPFの利用に比べて、TiO2/SiO2の厚さが変動しても透過域の高い透過率を確保しやすいという利点があるが、多層膜の層数が多くなることが欠点である。 Even if the thickness of the GST layer fluctuates by ±30% from the optimum value (3.1 nm) of 130°C heat treatment, the thickness of the 2C-BPF-based case (Fig. 32~ I signal =0.70 to 0.71 and I noise =0.20, which are close to those shown in FIG. 36), are obtained. Compared to using 2C-BPF, it has the advantage that it is easier to maintain high transmittance in the transmission region even if the thickness of TiO 2 /SiO 2 changes, but the disadvantage is that the number of layers in the multilayer film increases. be.
図59に、実施例24のA-ASFのGST層の厚さの誤差と、熱処理前の入射角30°での反射率R(30°)との関係を示す図60に、実施例24のA-ASFの熱処理前の入射角30°での反射率R(30°)と、適切な熱処理温度との関係を示す。
図59及び図60に示されるように、R(30°)のような熱処理前の特性、GST層の厚さ、及び、適切な熱処理温度の関係をあらかじめ把握しておくと、熱処理前の特性又はGST層の厚さから、適切な熱処理温度を一義的に求めることができる。
FIG. 59 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF of Example 24 and the reflectance R (30°) at an incident angle of 30° before heat treatment. The relationship between the reflectance R (30°) at an incident angle of 30° before heat treatment of A-ASF and the appropriate heat treatment temperature is shown.
As shown in FIGS. 59 and 60, if the relationship between the characteristics before heat treatment such as R (30°), the thickness of the GST layer, and the appropriate heat treatment temperature is understood in advance, the characteristics before heat treatment Alternatively, an appropriate heat treatment temperature can be determined uniquely from the thickness of the GST layer.
[4.2.2. θT1~θT2=0~30°、θB1~θB2=30~60°の場合]
次に、θT1~θT2=0~30°、θB1~θB2=30~60°の場合を考える。このような広い透過域を実現するためには、多重共振器BPFでは難しく、SPFの利用が必要である。40層のTiO2/SiO2多層膜からなるSPFを基にして、Inoise≦0.20の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた(実施例25)。
[4.2.2. When θ T1 to θ T2 = 0 to 30°, θ B1 to θ B2 = 30 to 60°]
Next, consider the case where θ T1 to θ T2 =0 to 30° and θ B1 to θ B2 =30 to 60°. In order to realize such a wide transmission band, it is difficult to use a multi-resonator BPF, and it is necessary to use an SPF. Based on the SPF consisting of a 40-layer TiO 2 /SiO 2 multilayer film, the thickness of each layer was determined so that the I signal would be large under the condition of I noise ≦0.20 (Example 25).
透過域及び阻止域が上記の範囲にある場合において、熱処理温度が130℃である時には、GST層の厚さXの最適値は、4.1nmである。以下では、GST層の厚さXが、最適値、最適値-30%、及び、最適値+30%である場合について、それぞれ、検討した。 When the transmission region and the rejection region are in the above ranges and the heat treatment temperature is 130° C., the optimum value of the thickness X of the GST layer is 4.1 nm. In the following, the cases where the thickness X of the GST layer is the optimum value, the optimum value -30%, and the optimum value +30% are examined, respectively.
図61~図63に、それぞれ、厚さの異なるGST層とSPFとを組み合わせたA-ASF(実施例25)に対し、それぞれ、適切な温度(図65参照)で熱処理した時の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び吸収スペクトルA(θ)を示す。図64に、このA-ASFに備えられるSPFの各層の光学厚さを示す。図65に、実施例25のA-ASFのGST層の厚さの誤差と、適切な熱処理温度との関係を示す。図66に、実施例25のA-ASF(熱処理温度:適切な温度)のGST層の厚さの誤差と、光学特性との関係を示す。 Figures 61 to 63 show the transmission spectra of A-ASF (Example 25), which is a combination of GST layers and SPF with different thicknesses, when heat treated at appropriate temperatures (see Figure 65). T(θ), reflection spectrum R(θ), and absorption spectrum A(θ) are shown. FIG. 64 shows the optical thickness of each layer of the SPF included in this A-ASF. FIG. 65 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF of Example 25 and the appropriate heat treatment temperature. FIG. 66 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF (heat treatment temperature: appropriate temperature) of Example 25 and the optical characteristics.
これまでの場合よりも透過域が広いので、偏光依存性の低減とリップルの抑制がより重要となる。そのためにTiO2層とSiO2層の厚さの差が大きく、また多層膜の中央部から端部に向かって厚さが変化する(参考文献4)。130℃熱処理の場合のGST層の最適厚さは4.1nmであり、このときIsignal=0.59、Inoise=0.20となる。GST層の厚さが±30%変動しても、適切な熱処理温度を選ぶことにより、その変動は補償され、Isignal≧0.57、Inoise=0.20が得られる。 Since the transmission range is wider than in the past, reducing polarization dependence and suppressing ripples are more important. Therefore, there is a large difference in thickness between the TiO 2 layer and the SiO 2 layer, and the thickness changes from the center to the ends of the multilayer film (Reference Document 4). The optimal thickness of the GST layer in the case of 130° C. heat treatment is 4.1 nm, and in this case, I signal =0.59 and I noise =0.20. Even if the thickness of the GST layer varies by ±30%, by selecting an appropriate heat treatment temperature, the variation can be compensated for, and I signal ≧0.57 and I noise =0.20 can be obtained.
図67に、実施例25のA-ASFのGST層の厚さの誤差と、熱処理前の入射角45°での反射率R(45°)との関係を示す。図68に、実施例25のA-ASFの熱処理前の入射角45°での反射率R(45°)と、適切な熱処理温度との関係を示す。
この場合には、阻止域にあるR(45°)がGST層の厚さに敏感に影響されるので、熱処理の際の光学特性のモニターにはこの値が適切である。
FIG. 67 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF of Example 25 and the reflectance R (45°) at an incident angle of 45° before heat treatment. FIG. 68 shows the relationship between the reflectance R (45°) of A-ASF of Example 25 at an incident angle of 45° before heat treatment and the appropriate heat treatment temperature.
In this case, since R (45°) in the stop band is sensitively influenced by the thickness of the GST layer, this value is appropriate for monitoring optical properties during heat treatment.
[4.3. ロングパスフィルターの利用]
これまでとは逆に、垂直入射に近い成分を阻止、入射角が大きい成分を透過させることもできる。このためには、2C-BPF、SPFに替えて、ロングパスフィルター(longpass filter, LPF)が用いられる。θT1~θT2=10~60°、θB1~θB2=0~10°の場合について、40層のTiO2/SiO2多層膜からなるLPFを基にして、Inoise≦0.2の条件下でIsignalが大きくなるような各層の厚さを求めた(実施例26)。
[4.3. Use of long pass filter]
Contrary to what has been done so far, it is also possible to block components that are close to normal incidence and to transmit components that have a large angle of incidence. For this purpose, a longpass filter (LPF) is used instead of 2C-BPF and SPF. For the case of θ T1 to θ T2 = 10 to 60° and θ B1 to θ B2 = 0 to 10°, I noise ≦0.2 based on an LPF consisting of 40 TiO 2 /SiO 2 multilayer films. The thickness of each layer was determined so that the I signal becomes large under the conditions (Example 26).
透過域及び阻止域が上記の範囲にある場合において、熱処理温度が130℃である時には、GST層の厚さXの最適値は、3.7nmである。以下では、GST層の厚さXが、最適値、最適値-30%、及び、最適値+30%である場合について、それぞれ、検討した。 When the transmission region and the rejection region are in the above ranges and the heat treatment temperature is 130° C., the optimum value of the thickness X of the GST layer is 3.7 nm. In the following, the cases where the thickness X of the GST layer is the optimum value, the optimum value -30%, and the optimum value +30% are examined, respectively.
図69~図71に、それぞれ、厚さの異なるGST層とLPFとを組み合わせたA-ASF(実施例26)に対し、それぞれ、適切な温度(図73参照)で熱処理した時の、透過スペクトルT(θ)、反射スペクトルR(θ)、及び吸収スペクトルA(θ)を示す。図72に、このA-ASFに備えられるLPFの各層の光学厚さを示す。図73に、実施例26のA-ASFのGST層の厚さの誤差と、適切な熱処理温度との関係を示す。図74に、実施例26のA-ASF(熱処理温度:適切な温度)のGST層の厚さの誤差と、光学特性との関係を示す。 Figures 69 to 71 show the transmission spectra of A-ASF (Example 26), which is a combination of GST layers and LPFs with different thicknesses, when heat treated at appropriate temperatures (see Figure 73). T(θ), reflection spectrum R(θ), and absorption spectrum A(θ) are shown. FIG. 72 shows the optical thickness of each layer of the LPF provided in this A-ASF. FIG. 73 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF of Example 26 and the appropriate heat treatment temperature. FIG. 74 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF (heat treatment temperature: appropriate temperature) of Example 26 and the optical characteristics.
透過域が広いので、リップルの抑制がより重要となることは先に示したSPFを基にした場合と同様であるが、TiO2層とSiO2層の厚さの変化の仕方は異なる。130℃熱処理のときのGST層の最適厚さは3.7nmであり、このときIsignal=0.66、Inoise=0.20となる。この場合もやはり、GST層の厚さが±30%変動しても、適切な熱処理温度を選ぶことにより、Isignal≧0.66、Inoise=0.20という遜色のない値が保たれる。 Since the transmission range is wide, suppression of ripples becomes more important, as in the case based on SPF shown above, but the way the thicknesses of the TiO 2 layer and the SiO 2 layer change is different. The optimal thickness of the GST layer when heat-treated at 130° C. is 3.7 nm, and in this case, I signal =0.66 and I noise =0.20. In this case as well, even if the thickness of the GST layer varies by ±30%, comparable values of I signal ≧0.66 and I noise =0.20 can be maintained by selecting an appropriate heat treatment temperature. .
図75に、実施例26のA-ASFのGST層の厚さの誤差と、熱処理前の入射角5°での反射率R(5°)との関係を示す。図76に、実施例26のA-ASFの熱処理前の入射角5°での反射率R(5°)と、適切な熱処理温度との関係を示す。
この場合は、阻止域は0~10°である。但し、垂直入射の反射率を測定するためにはハーフミラーなどが必要であるため、煩雑になる。そのため、R(5°)にて熱処理の際のモニターを行うのが現実的である。
FIG. 75 shows the relationship between the error in the thickness of the GST layer of A-ASF of Example 26 and the reflectance R (5°) at an incident angle of 5° before heat treatment. FIG. 76 shows the relationship between the reflectance R (5°) of A-ASF of Example 26 at an incident angle of 5° before heat treatment and the appropriate heat treatment temperature.
In this case, the inhibition zone is 0-10°. However, since a half mirror or the like is required to measure the reflectance at normal incidence, it becomes complicated. Therefore, it is practical to monitor the heat treatment at R (5°).
[5. まとめ]
TiO2/SiO2からなる波長選択フィルター(WSF)の光入射面にGe2Sb2Te5などの相変化材料の層を形成した、透過域の入射角の光は透過し、阻止域の入射角の光は大部分が吸収されるような吸収型角度選択フィルター(A-ASF)を提案した。相変化材料が光吸収機能を担うので、多層膜の形成後に光学特性をモニターしながら適切な温度で熱処理を施すことにより、所望の光学特性を得ることができる。そのため、相変化材料の厚さ(数nm)が変動してもその影響を熱処理条件によって補償することができることが特長である。
[5. summary]
A layer of a phase change material such as Ge 2 Sb 2 Te 5 is formed on the light incidence surface of a wavelength selective filter (WSF) made of TiO 2 /SiO 2 , so that light at an incident angle in the transmission range is transmitted, and light at an incident angle in the stop band is transmitted. We proposed an absorption angle selective filter (A-ASF) that absorbs most of the light at the corners. Since the phase change material has a light absorption function, desired optical properties can be obtained by performing heat treatment at an appropriate temperature while monitoring the optical properties after forming the multilayer film. Therefore, even if the thickness (several nanometers) of the phase change material changes, the advantage is that the effect can be compensated for by changing the heat treatment conditions.
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以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る光学フィルターは、光検出器などに用いることができる。 The optical filter according to the present invention can be used for photodetectors and the like.
Claims (8)
(1)前記光学フィルターは、
屈折率の異なる2種以上の透明材料(A)からなる交互積層膜を含むフィルター層と、
前記フィルター層の入射面側に形成された光吸収層と
を備え、
前記フィルター層は、入射光の内、前記フィルター層の透過域にある光(信号光)を透過させるためのものからなり、
前記光吸収層は、前記入射光の内、前記フィルター層の阻止域にある光(ノイズ光)を吸収するためのものからなる。
(2)前記光吸収層は、次の式(1)を満たす光吸収材料からなる。
πkA/nA≧1 ・・・(1)
但し、
nAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の屈折率、
kAは、前記光吸収層に前記入射光が照射された時の前記光吸収層の消衰係数、
前記光吸収材料は、加熱により前記消衰係数を不可逆的に変化させることが可能な材料を含む。 Optical filter with the following configuration:
(1) The optical filter is
a filter layer including alternately laminated films made of two or more types of transparent materials (A) having different refractive indexes;
and a light absorption layer formed on the incident surface side of the filter layer,
The filter layer is configured to transmit light (signal light) in a transmission range of the filter layer among the incident light,
The light absorption layer is made of a layer for absorbing light (noise light) that is in a blocking range of the filter layer, out of the incident light.
(2) The light absorption layer is made of a light absorption material that satisfies the following formula (1).
πk A /n A ≧1 ... (1)
however,
n A is the refractive index of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light;
k A is the extinction coefficient of the light absorption layer when the light absorption layer is irradiated with the incident light;
The light-absorbing material includes a material whose extinction coefficient can be irreversibly changed by heating.
0≦Σnidi≦1.5λ ・・・(2)
但し、
diは、前記光吸収層の上に形成された第i表面層(iはゼロ以上の整数)の実厚さ、
niは、前記第i表面層に前記入射光が照射された時の前記第i表面層の屈折率、
λは、前記入射光の波長。 The optical filter according to any one of claims 1 to 3, wherein the formation position of the light absorption layer satisfies the following formula (2).
0≦Σn i d i ≦1.5λ (2)
however,
d i is the actual thickness of the i-th surface layer (i is an integer greater than or equal to zero) formed on the light absorption layer,
n i is the refractive index of the i-th surface layer when the i-th surface layer is irradiated with the incident light;
λ is the wavelength of the incident light.
0.005≦πkAdA/(nA・λ)≦0.2 ・・・(3)
但し、dAは、前記光吸収層の実厚さ、λは、前記入射光の波長。 The optical filter according to any one of claims 1 to 4, wherein the light absorption layer satisfies the following formula (3).
0.005≦πk A d A /(n A・λ)≦0.2 (3)
However, dA is the actual thickness of the light absorption layer, and λ is the wavelength of the incident light.
前記積層体を熱処理することにより前記積層体のフィルター特性を調節し、請求項1から6までのいずれか1項に記載の光学フィルターを得る熱処理工程と
を備えた光学フィルターの製造方法。 A light-absorbing layer containing a light-absorbing material whose extinction coefficient can be irreversibly changed by heating on the entrance surface side of a filter layer including alternately laminated layers of two or more transparent materials (A) having different refractive indexes. A laminate production step of producing a laminate in which
A method for manufacturing an optical filter, comprising a heat treatment step of adjusting filter characteristics of the laminate by heat-treating the laminate to obtain the optical filter according to any one of claims 1 to 6 .
(a)前記積層体の透過/吸収特性をモニターしながら熱処理を行う工程、
(b)前記光吸収層の厚さを測定し、前記光吸収層の厚さに応じた条件下で熱処理を行う工程、又は、
(c)前記積層体の光学特性を測定し、前記光学特性に応じた条件下で熱処理を行う工程
を含む請求項7に記載の光学フィルターの製造方法。 The heat treatment step includes (a) performing heat treatment while monitoring the transmission/absorption characteristics of the laminate;
(b) a step of measuring the thickness of the light absorption layer and performing heat treatment under conditions according to the thickness of the light absorption layer, or
8. The method for manufacturing an optical filter according to claim 7 , comprising the step of: (c) measuring the optical properties of the laminate and performing heat treatment under conditions according to the optical properties.
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