RU2552127C1 - Multilayer optical bandpass filter - Google Patents
Multilayer optical bandpass filter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2552127C1 RU2552127C1 RU2014106728/28A RU2014106728A RU2552127C1 RU 2552127 C1 RU2552127 C1 RU 2552127C1 RU 2014106728/28 A RU2014106728/28 A RU 2014106728/28A RU 2014106728 A RU2014106728 A RU 2014106728A RU 2552127 C1 RU2552127 C1 RU 2552127C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- refractive index
- filter
- refraction index
- dielectric
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Filters (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к волоконно-оптической технике и может быть использовано в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света.The invention relates to fiber optic technology and can be used in optical communication devices and Raman spectrometers.
Известен оптический трехрезонаторный многослойный фильтр [Аналог: Гончаров Ф.Н., Лапшин Б.А., Петраков В.А., Политыкин Р.В., Шмидт А.А. Оптический многослойный фильтр. Патент РФ №2316029, 27.01.2008, МПК G02B 5/28]. Трехрезонаторный фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления. В нем все слои с высоким показателем преломления (nH) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (nL) выполнены из второго материала. Три диэлектрических слоя фильтра имеют электрическую (т.е. фазовую) толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные диэлектрические слои имеют электрическую толщину π/2. Они образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы друг от друга (внутренние зеркала) и от внешнего пространства (наружные зеркала). Количество слоев в наружных и внутренних зеркалах определяется предложенными математическими формулами, описывающими зависимость только от двух величин - от отношения показателей преломления двух используемых материалов и от относительной ширины полосы пропускания фильтра.Known optical three-resonator multilayer filter [Analog: Goncharov F.N., Lapshin B.A., Petrakov V.A., Politykin R.V., Schmidt A.A. Optical multilayer filter. RF patent No. 2316029, 01/27/2008, IPC G02B 5/28]. The three-cavity filter contains alternating dielectric layers of materials with high and low refractive indices. In it, all the layers with a high refractive index (n H ) are made of one material, and all the layers with a low refractive index (n L ) are made of a second material. The three dielectric layers of the filter have an electric (i.e., phase) thickness π at the center frequency of the passband. They are filter resonators. The remaining dielectric layers have an electric thickness of π / 2. They form multilayer dielectric mirrors that separate resonators from each other (internal mirrors) and from external space (external mirrors). The number of layers in the outer and inner mirrors is determined by the proposed mathematical formulas that describe the dependence on only two quantities — the ratio of the refractive indices of the two materials used and the relative filter bandwidth.
Недостатком известного трехрезонаторного фильтра являются низкие селективные свойства, выражающиеся в слабом ослаблении проходящего света за пределами полосы пропускания и малой крутизне склонов самой полосы пропускания. Этот недостаток обусловлен малым числом резонаторов, равным трем. Причем увеличение числа резонаторов в аналоге не предусмотрено согласно формуле изобретения. Другим недостатком аналога является принципиальная невозможность реализации фильтра с точно заданной шириной полосы пропускания света и точно заданной неравномерностью коэффициента прохождения в этой полосе, так как количество слоев в наружных и внутренних зеркалах фильтра, определяющих эти характеристики, не может быть дробным.A disadvantage of the known three-cavity filter is its low selective properties, which are reflected in a weak attenuation of transmitted light outside the passband and the low slope of the passband itself. This disadvantage is due to the small number of resonators equal to three. Moreover, the increase in the number of resonators in the analogue is not provided according to the claims. Another disadvantage of the analogue is the fundamental impossibility of implementing a filter with a precisely specified bandwidth of light transmission and a precisely specified unevenness of the transmission coefficient in this band, since the number of layers in the outer and inner mirrors of the filter defining these characteristics cannot be fractional.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является многорезонаторный фильтр [Прототип: P. Baumeister. Application of microwave technology to design an optical multilayer bandpass filter // Applied Optics. 2003. Vol.42, №13, p.2407-2414, Fig.7]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления, нанесенные на одну сторону стеклянной подложки. В нем все слои с высоким показателем преломления (nH) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (nL) выполнены из второго материала. Часть слоев с низким показателем преломления (nL) имеют электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, стеклянной подложки или внешнего пространства. В каждом зеркале электрическая толщина всех слоев, за исключением трех слоев, расположенных один за другим, равна π/2.The closest analogue of the claimed invention is a multi-cavity filter [Prototype: P. Baumeister. Application of microwave technology to design an optical multilayer bandpass filter // Applied Optics. 2003. Vol. 42, No. 13, p. 2407-2414, Fig. 7]. The filter contains alternating dielectric layers of materials with high and low refractive indices, deposited on one side of the glass substrate. In it, all the layers with a high refractive index (n H ) are made of one material, and all the layers with a low refractive index (n L ) are made of a second material. Some layers with a low refractive index (n L ) have an electric thickness π at the center frequency of the passband. They are filter resonators. The remaining layers form multilayer dielectric mirrors that separate each resonator from an adjacent resonator, glass substrate, or external space. In each mirror, the electric thickness of all layers, with the exception of three layers located one after another, is π / 2.
Недостатком многорезонаторного фильтра является то, что он может быть реализован не для любых требуемых значений ширины полосы пропускания и не для любых требуемых значений неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе. Этот недостаток связан с тем, что отклонение электрической толщины от π/2 только для трех слоев в каждом многослойном зеркале не всегда бывает достаточным для того, чтобы фильтр имел требуемые параметры полосы пропускания.The disadvantage of a multi-cavity filter is that it can be implemented not for any required values of the bandwidth and not for any required values of the unevenness of the transmittance of light in this band. This drawback is due to the fact that the deviation of the electric thickness from π / 2 for only three layers in each multilayer mirror is not always sufficient for the filter to have the required bandwidth parameters.
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе, что расширяет область применения многослойного полосно-пропускающего фильтра.The technical result of the claimed invention is the ability to implement almost any desired bandwidth with almost any unevenness of the transmittance of light in this band, which expands the scope of the multilayer band-pass filter.
Технический результат достигается тем, что в оптическом многослойном полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления nH и низким показателем преломления nL, в которых часть слоев с низким показателем преломления nL является резонаторами, имеющими электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания, а все остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, диэлектрической подложки или внешнего пространства. В каждом i-ом зеркале электрическая (т.е. фазовая) толщина θLi слоев с показателем преломления nL меньше π/2, а электрическая толщина θHi слоев с показателем преломления nH превышает π/2 на ΔθHi и 2ΔθHi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θLi и ΔθHi удовлетворяют уравнению .The technical result is achieved in that in an optical multilayer band-pass filter containing a dielectric substrate with thin-film layers of dielectrics deposited on it with alternating high refractive index n H and low refractive index n L , in which part of the layers with low refractive index n L are resonators having an electric thickness π at the center frequency of the passband, and all other layers form multilayer dielectric mirrors that separate each resonator from adjacent resonator, dielectric substrate or external space. In each ith mirror, the electric (i.e., phase) thickness θ Li of layers with a refractive index n L is less than π / 2, and the electric thickness θ Hi of layers with a refractive index n H exceeds π / 2 by Δθ Hi and 2Δθ Hi for outer and inner layers, respectively, where θ Li and Δθ Hi satisfy the equation .
Заявляемый оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр отличается от прототипа тем, что в каждом i-ом зеркале электрическая толщина θLi слоев с показателем преломления nL меньше π/2, а электрическая толщина θHi слоев с показателем преломления nH превышает π/2 на ΔθHi и 2ΔθHi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θLi и ΔθHi удовлетворяют уравнению The inventive optical multilayer bandpass filter differs from the prototype in that in each i-th mirror, the electric thickness θ Li of the layers with a refractive index n L is less than π / 2, and the electric thickness θ Hi of the layers with a refractive index n H exceeds π / 2 by Δθ Hi and 2Δθ Hi for the outer and inner layers, respectively, where the quantities θ Li and Δθ Hi satisfy the equation
. .
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».These differences allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." The features distinguishing the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".
Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицами.The invention is illustrated by drawings and tables.
На фиг.1 изображена конструкция фильтра. Здесь R - однослойные резонаторы, M1, М2, М3,
На фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) для приведенного примера фильтра. Сплошная линия изображает зависимость коэффициента прохождения света S21, а штриховая линия - зависимость коэффициента отражения S11 (Sij - элементы матрицы рассеяния). Значения обоих коэффициентов выражены в децибелах, текущая частота f нормирована на центральную частоту полосы пропускания f0.Figure 2 presents the amplitude-frequency characteristics (AFC) for the example filter. The solid line shows the dependence of the light transmission coefficient S 21 , and the dashed line shows the dependence of the reflection coefficient S 11 (S ij are the elements of the scattering matrix). The values of both coefficients are expressed in decibels, the current frequency f is normalized to the center frequency of the passband f 0 .
В табл.I приведены электрические толщины тонкопленочных слоев в зеркалах фильтра.Table I shows the electrical thicknesses of thin-film layers in the filter mirrors.
Пример осуществления изобретения.An example embodiment of the invention.
Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр выполнен из двух диэлектрических материалов: рутила (TiO2) с показателем преломления nH=2.39 и кварца (SiO2) с показателем преломления nL=1.46. Тонкопленочные диэлектрические слои нанесены на подложку из стекла (BK7) с показателем преломления nG=1.517. Конструкция фильтра показана на фиг.1. Фильтр содержит всего 67 тонкопленочных слоев. Из них 5 слоев являются резонаторами. Они выполнены из материала с показателем преломления nL и имеют электрическую толщину π. На фиг.1 резонаторы обозначены букой R. Средами, окружающими фильтр, являются воздух (слева) и стеклянная подложка (справа). Они обозначены буквами А и G, соответственно. Остальные 62 тонкопленочных слоя образуют 6 многослойных диэлектрических зеркал, обозначенных как М1, М2, М3 и
Достижение технического результата, а именно возможности реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания (в данном примере это 2%) при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе (в данном примере это S11 max=-15 дБ) подтверждается амплитудно-частотной характеристикой на фиг.2, рассчитанной для параметров слоистой структуры, представленных в Таблице I.The achievement of the technical result, namely the possibility of realizing almost any required bandwidth (in this example, 2%) with almost any unevenness of the transmittance of light in this band (in this example, S 11 max = -15 dB), is confirmed by the amplitude-frequency characteristic figure 2, calculated for the parameters of the layered structure presented in Table I.
Приведенный пример осуществления изобретения отличается от известных конструкций фильтров тем, что в каждом i-ом зеркале электрическая толщина θLi слоев с показателем преломления nL меньше π/2, а электрическая толщина θHi слоев с показателем преломления nH превышает π/2 на ΔθHi и 2ΔθHi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θLi и ΔθHi удовлетворяют уравнению (1).The given embodiment of the invention differs from the known filter designs in that in each i-th mirror the electric thickness θ Li of the layers with a refractive index n L is less than π / 2, and the electric thickness θ Hi of the layers with a refractive index n H exceeds π / 2 by Δθ Hi and 2Δθ Hi for the outer and inner layers, respectively, where the quantities θ Li and Δθ Hi satisfy equation (1).
Фильтр работает следующим образом. На центральной частоте полосы пропускания f0 каждое многослойное зеркало Mi эквивалентно другому многослойному зеркалу с четвертьволновыми слоями. Слои этого эквивалентного зеркала имеют показатели преломления nH и ni (nH>ni>nL). Такие многослойные зеркала не возмущают резонансные частоты резонаторов в фильтре, что существенно упрощает конструирование многослойных фильтров. Поэтому конструирование фильтра сводится только к нахождению оптимальных значений ni.The filter works as follows. At the center frequency of the passband f 0, each multilayer mirror M i is equivalent to another multilayer mirror with quarter-wave layers. The layers of this equivalent mirror have refractive indices n H and n i (n H > n i > n L ). Such multilayer mirrors do not disturb the resonant frequencies of the resonators in the filter, which greatly simplifies the design of multilayer filters. Therefore, the design of the filter is reduced only to finding the optimal values of n i .
Эквивалентность сопоставляемых многослойных зеркал означает равенство отвечающих им ABCD-матриц (т.е. характеристических матриц). В частности, равенство диагональных элементов ABCD-матриц дает уравнение (1). Оно выражает требование, чтобы все слои эквивалентного зеркала имели электрическую толщину π/2.The equivalence of the matched multilayer mirrors means the equality of the corresponding ABCD matrices (i.e., characteristic matrices). In particular, the equality of the diagonal elements of ABCD matrices gives equation (1). It expresses the requirement that all layers of an equivalent mirror have an electric thickness of π / 2.
Таким образом, преимуществом заявляемого оптического многослойного фильтра является то, что в нем при использовании всего двух материалов с неодинаковыми показателями преломления имеется возможность плавной перестройки как ширины его полосы пропускания, так и величины неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе.Thus, the advantage of the inventive optical multilayer filter is that in it, using only two materials with unequal refractive indices, it is possible to smoothly change both the width of its passband and the unevenness of the light transmission coefficient in this band.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014106728/28A RU2552127C1 (en) | 2014-02-21 | 2014-02-21 | Multilayer optical bandpass filter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014106728/28A RU2552127C1 (en) | 2014-02-21 | 2014-02-21 | Multilayer optical bandpass filter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2552127C1 true RU2552127C1 (en) | 2015-06-10 |
Family
ID=53294799
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014106728/28A RU2552127C1 (en) | 2014-02-21 | 2014-02-21 | Multilayer optical bandpass filter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2552127C1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2308062C1 (en) * | 2006-05-12 | 2007-10-10 | Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН | Narrowband filtration cover |
RU2316029C1 (en) * | 2006-08-01 | 2008-01-27 | Военная академия связи | Optical multilayer filter |
-
2014
- 2014-02-21 RU RU2014106728/28A patent/RU2552127C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2308062C1 (en) * | 2006-05-12 | 2007-10-10 | Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН | Narrowband filtration cover |
RU2316029C1 (en) * | 2006-08-01 | 2008-01-27 | Военная академия связи | Optical multilayer filter |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Baumeister P. Application of microwave technology to design an optical multilayer bandpass filter, Applied Optics, 2003, Vol. 42, Issue 13, pp. 2407-2414, фиг.7, найдено в Интернет: http://dx.doi.org/10.1364/AO.42.002407. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10684505B2 (en) | Tunable electro-optic filter | |
US4269481A (en) | Multiple-cavity electro-optic tunable filter | |
CN103217730B (en) | Narrow-band negative filter plate membrane system with gradually-changing optical thicknesses | |
US7573639B2 (en) | Terahertz-band optical filter, designing method thereof, and manufacturing method thereof | |
US6031653A (en) | Low-cost thin-metal-film interference filters | |
US20200393602A1 (en) | Multispectral filter | |
TW565711B (en) | Indium-tin oxide thin film filter for dense wavelength division multiplexing | |
JP2004133471A (en) | Multi-cavity optical filter | |
KR20060064021A (en) | Partitioned-cavity tunable fabry-perot filter | |
JP2000329933A (en) | Multilayered film filter | |
US20060092989A1 (en) | Etalon cavity with filler layer for thermal tuning | |
US20130215499A1 (en) | Notch filter system using spectral inversion | |
RU2552127C1 (en) | Multilayer optical bandpass filter | |
EP3173754B1 (en) | Spectroscopy device including a bragg grating | |
JP3904031B1 (en) | Terahertz optical filter, design method and manufacturing method thereof | |
RU2538078C1 (en) | Multilayer optical bandpass filter | |
US11226503B2 (en) | Tunable spectral filters | |
CN111580288B (en) | Tunable thermo-optical filter, adjusting method and manufacturing method thereof | |
RU2316029C1 (en) | Optical multilayer filter | |
Yaremchuk et al. | New design of interference band-pass infrared filter | |
RU2713566C1 (en) | Optical multilayer band-pass filter | |
JP6108871B2 (en) | Antireflection film, optical system, and optical apparatus | |
RU2547898C1 (en) | Multilayer otical bandpass filter | |
TWI620726B (en) | High transmission glass with ITO film | |
RU2330313C1 (en) | Optical multilayer filter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200222 |