RU2552127C1 - Multilayer optical bandpass filter - Google Patents

Multilayer optical bandpass filter Download PDF

Info

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
Application number
RU2014106728/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Афанасьевич Беляев
Владимир Вениаминович Тюрнев
Василий Филлипович Шабанов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2014106728/28A priority Critical patent/RU2552127C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2552127C1 publication Critical patent/RU2552127C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Filters (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: filter comprises a dielectric substrate coated with thin-film layers of dielectric materials with alternating high refraction index nH and low refraction index nL. Part of the layers of the material with refraction index nL is resonators having electrical thickness π at the centre frequency of the transmission band. All of the other layers form multilayer dielectric mirrors which separate each resonator from the adjacent resonator, the dielectric substrate or outer space. In each i-th mirror, the electrical thickness θLi of layers with refraction index nL is less than π/2, and the electrical thickness θHi of layers with refraction index nH is greater than π/2 by ΔθHi and 2ΔθHi for outer and inner layers, respectively, where the values θLi and ΔθHi satisfy the equation
Figure 00000007
.
EFFECT: providing virtually any required bandwidth with virtually any non-uniformity of the light transmission coefficient in said bandwidth.
2 dwg, 1 tbl

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

Figure 00000001
.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
Figure 00000001
.

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

Figure 00000002
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
Figure 00000002

Figure 00000003
.
Figure 00000003
.

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, M 1 '

Figure 00000004
- многослойные зеркала, А - воздушная окружающая среда, G - стеклянная подложка.Figure 1 shows the design of the filter. Here R is single-layer resonators, M 1 , M 2 , M 3 , M one ''
Figure 00000004
- multilayer mirrors, A - air environment, G - glass substrate.

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 M 1 '

Figure 00000004
. Крайние зеркала М1 и M 1 '
Figure 00000004
содержат по 5 слоев. Остальные зеркала, то есть М2 и М3, содержат по 13 слоев. Значения электрических толщин слоев в зеркалах фильтра с относительной шириной полосы пропускания 2% и величиной неравномерности частотной характеристики в полосе пропускания, характеризуемой уровнем максимального отражения S11 max=-15 дБ, приведены в Таблице I. Все эти значения удовлетворяют единому для всех зеркал условиюAn optical multilayer band-pass filter is made of two dielectric materials: rutile (TiO 2 ) with a refractive index n H = 2.39 and quartz (SiO 2 ) with a refractive index n L = 1.46. Thin film dielectric layers are deposited on a glass substrate (BK7) with a refractive index of n G = 1.517. The design of the filter is shown in figure 1. The filter contains a total of 67 thin film layers. Of these, 5 layers are resonators. They are made of material with a refractive index n L and have an electric thickness π. 1, the resonators are indicated by beech R. The media surrounding the filter are air (left) and a glass substrate (right). They are indicated by the letters A and G, respectively. The remaining 62 thin-film layers form 6 multilayer dielectric mirrors, designated as M 1 , M 2 , M 3 and M one ''
Figure 00000004
. Extreme mirrors M 1 and M one ''
Figure 00000004
contain 5 layers. The remaining mirrors, that is, M 2 and M 3 , contain 13 layers. The values of the electric thicknesses of the layers in the filter mirrors with a relative bandwidth of 2% and the magnitude of the frequency response in the passband characterized by the maximum reflection level S 11 max = -15 dB are shown in Table I. All these values satisfy the condition that is common for all mirrors

Figure 00000005
Figure 00000005

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.

Figure 00000006
Figure 00000006

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)

Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления nH и низким показателем преломления nL, в которых часть слоев из материала с 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, отличающийся 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
Figure 00000007
.
An optical multilayer band-pass filter containing a dielectric substrate coated with thin-film layers of dielectrics with alternating high refractive index n H and low refractive index n L , in which some of the layers of material with refractive index n L are resonators having an electric thickness of π per the central frequency of the passband, and all other layers form multilayer dielectric mirrors that separate each resonator from the neighboring resonator, the dielectric surface or outer space, characterized in that in each i-th mirror the electric 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 the outer and inner layers, respectively, where θ Li and Δθ Hi satisfy the equation
Figure 00000007
.
RU2014106728/28A 2014-02-21 2014-02-21 Multilayer optical bandpass filter RU2552127C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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