WO2001004669A1

WO2001004669A1 - Interferenzoptisches schmalbandfilter

Info

Publication number: WO2001004669A1
Application number: PCT/EP2000/006519
Authority: WO
Inventors: Burkhard Danielzik; Rüdiger HENTSCHEL; Ulf Brauneck; Markus Kuhr; Bernd Metz; Stefan Bauer
Original assignee: Schott Glas; Carl-Zeiss-Stiftung Trading As Schott Glas; Carl-Zeiss-Stiftung
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2001-01-18
Also published as: TW452666B; WO2001004668A1; DE19932082A1; CN1360681A; AU5826800A; EP1194799A1; CA2379077A1; AU6690600A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein interferenzoptisches Schmalbandfilter für eine Wellenlänge μ0 mit einer Vielzahl von dielektrischen Schichten, wobei die dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen (nH) und einen niedrigen Brechungsindex (nL) aufweisen und die optische Schichtdicke der dielektrischen Schichten μ/4 oder μ/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon beträgt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine μ/4- oder μ/2-Schicht des Schichtsystems eine von dem hohen (nH) oder niedrigen Brechungsindex (nL) der übrigen Schichten des Schichtsystems abweichenden Brechungsindex aufweist, so dass sich die Ausprägung von 'Ripples' im Transmissionsband des Filters verringert.

Description

Interferenzoptisches Schmalbandfilter

Die Erfindung betrifft ein interferenzoptisches Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ mit einer Vielzahl von dielektrischen Schichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 , sowie die Verwendung eines derartigen Filters und ein Plasma-Impuls-CVD-Verfahren zur Herstellung derartiger schmalbandiger interferenzoptischer Filter.

Schmalbandige dielektrische Fabry-Perot-Filter sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen im Stand der Technik bekannt geworden.

Diesbezüglich wird verwiesen auf die nachfolgenden Schriften:

US-4756602 CA 2220291

WO 97/017777 EP 0902305

Der Gegenstand dieser Schriften wird vollumfänglich in denjenigen der vorliegenden Anmeldung mit aufgenommen.

Interferenzoptische Schmalbandfilter werden durch abwechselndes Aufbringen von hoch- und niedrigbrechenden Schichten mit einem hohen (n_H) und einem niedrigen Brechungsindex (nj in vorgeschriebener Reihenfolge hergestellt. Beim Fabry-Perot-Design liegt ein symmetrischer Aufbau aus λ/2 und λ/4

Schichten vor, das heißt die Anordnung der Schichten in der ersten Filterhälfte wiederholt sich spiegelbildlich in der zweiten Filterhälfte. Das Dickenwachstum der λ/2- beziehungsweise λ/4-Schichten wird während der Herstellung mit Hilfe optischer Methoden überwacht und gesteuert. Eine Möglichkeit der Steuerung des Dickenwachstums ist beispielsweise eine Extremwertabschaltung, die das Wachstum genau dann unterbricht, wenn die Schichtdicke der einer λ/2- beziehungsweise λ/4-Schicht entspricht.

Problematisch bei derartigen Schichtsystemen ist das Auftreten von sogenannten "Ripples". "Ripples" sind im Durchlaßbereich stark ausgeprägte

Einbrüche im Transmissionsverlauf. Derartige Einbrüche entstehen beispielsweise verstärkt, wenn wie in der WO 97/01777 vorgeschlagen, zur Verbesserung der Kantensteilheit Zusatzschichten in der äußeren Cavity vorgesehen werden, zu deren Beseitigung werden dann in inneren Cavities zusätzliche Schichten aufgebracht. Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von Filtern ist relativ aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Filter zur Verfügung zu stellen, der einfach herzustellen ist und bei dem die Einbrüche, das heißt die "Ripples" minimiert werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine oder mehrere der hoch- oder niedrigbrechenden λ/2- bzw. λ/4-Schichten des Schichtsystems einen Brechwert aufweisen, der sich von dem Brechwert der übrigen hoch- oder niedrigbrechenden Schichten des Schichtsystems unterscheidet.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Schichtsystem eine Vielzahl von reflektierenden λ/4-Stacks mit einer Vielzahl von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden λ/4-Schichten umfaßt.

Vorteilhafterweise sind in einer Ausführungsform der Erfindung sämtliche hoch- und niedrigbrechenden Schichten eines λ/4-Stacks im Brechungsindex gegenüber den hoch- und niedrigbrechenden λ/4-Schichten der übrigen Stacks geringfügig unterschiedlich.

Cavities bestehen aus durch Spacerschichten - beispielsweise λ/2-Schichten - getrennten λ/4-Stacks, wie beispielsweise in der WO 97/01777 oder der EP 0902305 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mitaufgenommen wird.

Die Veränderung des Brechungsindexes kann besonders einfach mit dem Plasma-Impuls-CVD-Verfahren (PICVD-Verfahren) erreicht werden, indem zur

Herstellung dieser Schichten ein oder mehrere Verfahrensparameter wie zum Beispiel der Prozeßgasdruck oder die Beschichtungsrate gegenüber denen für die übrigen Schichten, geeignet verändert werden.

Alternativ hierzu können dem Prozeßgas Zusätze beigegeben werden oder auf ein völlig anderes Prozeßgas umgestellt werden.

Der Vorteil des Plasma-Impuls-CVD-Verfahrens liegt darin, daß die oben genannten Änderungen der Verfahrensparameter bzw. der Zusammensetzung des Prozeßgases während einer Pulspause beim Plasma-Impuls-CVD-

Verfahren vorgenommen werden können, d.h. ohne zusätzliche Unterbrechung der gepulsten Materialabscheidung. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Verfahren können so insbesondere scharfe Materialübergänge erreicht werden.

Eine Veränderung der optischen Konstanten, d.h. des Brechungsindexes abgeschiedener Schichten ist beispielsweise auch dadurch möglich, daß die Substrattemperatur geändert wird. Mit den beschriebenen Verfahrensänderungen lassen sich Brechwertdifferenzen von bis zu 0,05 erreichen. Solch geringe Brechwertdifferenzen gegenüber den übrigen hoch-

(n_H) und niedrigbrechenden (nj Schichten des Schichtsystems sind ausreichend um die Ausprägung von Einbrüchen zu beeinflußen, ohne daß dadurch die weiteren Transmissionseigenschaften verändert werden.

Alternativ zu einer Veränderung der Verfahrensparameter können auch unterschiedliche Materialien verwendet werden, beispielsweise bei hochbrechenden Schichten Ti0₂ durch Nb₂O_s ersetzt werden und umgekehrt. Als Materialien für hochbrechende Schichten eignen sich insbesondere Ti0₂, Nb₂0₅, Zr0₂, HfO₂ oder Ta₂O₅.

Betreffend das Plasma-Impuls-CVD-Verfahren wird auf

- "Plasma Impuls Chemical Vapour Deposititon" in "Thin films for optical Systems", Verlag Marcel Dekker, 1995

- DE-A-40 084 05

- DE-A-41 285 47 - DE-A-42 288 53

- DE-A-43 34 572

verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.

Nachfolgend sollen Ausführungsbeispiele von Fabry-Perot-Schmalbandfiltern beschrieben werden, mit denen die "Ripplebildung" unterdrückt werden kann.

Es zeigen:

Figur 1 die Transmissionskurve über der Wellenlänge für ein Drei-Cavity-

Filtersystem mit konventionellem Design

Figur 2 die Transmissionskurve eines Drei-Cavity-Filtersystems gemäß Figur 1 , wobei der Brechwert der hochbrechenden Schicht im

Stack 6 um 0,01 sich verändernd betrachtet wurde und

Figur 3 ein Drei-Cavity-Filter gemäß Figur 1 , bei dem sowohl der

Brechwert der hochbrechenden wie auch der niedrigbrechenden Schicht im Stack 6 um jeweils 0,02 verändert wurde, das heißt der hochbrechenden Schicht n_H von 2,299 auf 2,279 und der der niedrigbrechenden Schicht von n_L 1 ,432 nach 1 ,452.

Figur 4 ein Drei-Cavity-Filter gemäß Figur 1 , bei dem im Stack 1 die ersten beiden und im Stack 6 alle hoch- und niedrigbrechenden einen von den Schichten abweichenden Brechwert aufweisen, d.h. bei den hochbrechenden Schichten eine Absenkung von n_H=2,299 auf 2,249 und bei den niedrigbrechenden Schichten eine Anhebung von n_L = 1 ,432 auf 1 ,452

Figur 1 zeigt die Transmissionskurve eines sogenannten Drei-Cavity-Filters der wie folgt aufgebaut ist:

Substrat/Stack 1/Spacer 1 /Stack 2/Koppelschicht/Stack 3/Spacer 2/Stack 4

/Koppelschicht/Stack 5/Spacer 3/Stack 6.

Hierbei sind die geradzahligen Stacks, das heißt Stack 2, Stack 4 und Stack 6 identisch aufgebaut ebenso wie die ungeradzahligen Stacks, das sind Stack 1 , Stack 3 und Stack 5. Die ungeradzahligen Stacks sind spiegelbildlich zu den geradzahligen aufgebaut und sämtliche Spacerschichten identisch. Ein Stack bezeichnet eine Vielzahl von λ/4-Schichten mit abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Materialien. Eine Cavity umfaßt eine Vielzahl von reflektierenden λ/4-Stacks, vorliegend zwei λ/4-Stacks aus jeweils abwechselnd angeordneten hoch- und niedrigbrechenden λ/4-Schichten, die durch eine Spacerschicht mit einer optischen Dicke von λ/2 oder einem ganzzahligen Mehrfachen davon getrennt sind. Die Koppelschichten zwischen den einzelnen Cavities können beispielsweise niedrigbrechende λ/4-Schichten sein. Der hohe Berechnungsindex n_H der λ/4-Schichten beträgt vorliegend n_H = 2,299; der niedrige n_L = 1 ,432. In Figur 1 deutlich zu erkennen sind Einbrüche der Transmissionskurve in der Mitte des durchgelassenen Wellenlängenbandes und besonders beidseits der Schwerpunktwellenlänge λ₀ zu erkennen. Die Schwerpunktwellenlänge λ₀ des Filters kann beispielsweise ohne Beschränkung hierauf 1550 nm betragen.

In Figur 2 sind die Transmissionskurven einer Ausführungsform gemäß Figur 1 , das heißt eines Drei-Cavity-Filters mit dem Schichtaufbau wie in Figur 1 dargestellt, wobei der Brechwert

6

der hochbrechenden Schicht im reflektierenden λ/4-Stack 6, der eine Vielzahl von alternierenden hoch- und niedrigbrechenden λ/4-Schichten umfaßt von

7⁶ _H = 2,299

auf

^/*■ 2,269

in Schritten von

Δ/7⁶ _H 0,01

abnimmt, das heißt es sind die Transmissionskurven für

/7⁶ _H = 2,299, 2,289, 2,279, 2,269

dargestellt. Wie aus Figur 2 deutlich zu ersehen, wird bei einer Änderung des

Brechungsindexes der hochbrechenden Schichten in Stack 6 um 0,03 gegenüber dem Brechungsindex n_H der hochbrechenden Schicht in den übrigen Stacks eine ganz erhebliche Verminderung der unerwünschten Einbrüche der Transmissionskurve erreicht.

Variiert man zusätzlich zum Brechungsindex der hochbrechenden Schicht auch den der niedrigbrechenden Schicht

6 /7_N

in einem reflektierenden λ/4-Stack, beispielsweise in Stack 6 des Drei-Cavity- Filtersystems gemäß Figur 1 , so ergibt sich die Transmissionskurve gemäß Figur 3, die mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet wird. Als Referenzkurve ist die Transmissionskurve 3 des Schichtsystems gemäß Figur 1 in Figur 3 mit dargestellt. In vorliegendem Ausführungsbeispiel betrug der Brechungsindex der hochbrechenden Schicht im Stack 6

7⁶ _H = 2,279

und der der niedrigbrechenden Schicht

7⁶ _N = 1 ,452.

Gegenüber dem hohen Brechungsindex n_H = 2,299 der übrigen hochbrechenden Schicht war der hohe Brechungsindex

6

in Stack 6 um Δn_H = 0,02 erniedrigt und der niedrige Berechnungsindex

6

in Stack 6 mit

n = 1 ,452

um Δ_N = 0,02 gegenüber dem der übrigen Schichten mit n_N = 1 ,432 erhöht. Deutlich zu erkennen die nochmals verbesserte Maximaltransmission des Filters innerhalb des durchgelassenen Weilenlängenbandes im Vergleich zum System gemäß Figur 1 , sowie die Reduzierung der unerwünschten Einbrüche, d. h. der Ripples, in der Transmissionskurve.

Während in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der bzw. die Brechungsindizes im letzten, das heißt abschließenden Stack 6, des Drei-

Cavity-System variiert wurde, können noch bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn auch Schichten in einem oder mehreren Stacks im Inneren des Multischichtsystems, beispielsweise in Stack 2, verändert werden. Eine Verlegung ins Innere des Systems erhöht die Freiheitsgrade beim Design derartiger Filter erheblich.

Figur 4 zeigt die Transmissionskurve 5 eines Systems, bei dem zusätzlich zum Brechungsindex im abschließenden Stack 6 auch im ersten Stack 1 zumindest teilweise einen von den übrigen Schichten abweichenden Brechungsiπdex aufweisen. Bei dem System gemäß Figur 4 handelt es sich um ein Drei-Cavity-Filter gemäß Figur 1 , bei dem im Stack 1 die ersten beiden und im Stack 6 alle hoch- und niedrigberechenden Schichten einen von den übrigen Schichten abweichenden Brechwert aufweisen. Bei den hochbrechenden Schichten wurde eine Absenkung des Brechwertes von n_H=2,299 auf 2,249 und bei den niedrigbrechenden Schichten eine Anhebung des Brechwertes von n_L= 1 ,432 auf 1 ,452 vorgenommen.

In Figur 4 ist wiederum zum Vergleich der Transmissionsverlauf 3 eines Filters gemäß Figur 1 gezeigt. Deutlich zu erkennen die verbesserte Kantensteilheit sowie die verminderten Einbrüche der Transmissionskurve 5 gegenüber dem

Transmissionsverlauf 3.

Die Herstellung der dargestellten Schichtsysteme mit veränderten Brechungsindizes erfolgt bevorzugt mit Hilfe des Plasma-Impuls CVD- Verfahrens. Durch den Materialwechsel während der Impulspause, die variabel einstellbar ist, kann ein sehr scharfer Übergang erreicht werden, ebenso ist es auf einfache Art und Weise möglich, Schichten mit geringen Brechwertvariationen in einzelnen der hoch- oder niedrigbrechenden Schichten herzustellen, was bei den derzeitigen kontinuierlichen Verfahren ohne Übergänge nicht erreicht werden kann.

Die mit der Erfindung hergestellten sehr schmalbandigen Filter zeichnen sich bei nur geringer Brechungsindexvariation weniger Schichten gegenüber den übrigen Schichten dadurch aus, daß Ripple-Bildung vermieden zumindest aber reduziert werden kann. So gefertigte Fabry-Perot-Schmalbandfilter eignen sich aufgrund der nur sehr geringen Einbrüche im Transmissionsverlauf beispielsweise zum Multiplexen beziehungsweise Demultiplexen in WDM (Wavelength-Division-Multiplex) beziehungsweise DWBM (Dense-Wavelength-Division-Multiplex)-Systemen der

Nachrichtentechnik oder als Kantenfilter oder Gain-Flattening-Filter.

Claims

Patentansprüche

1. Interferenzoptischer Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ₀ mit 1.1 einer Vielzahl von dielektrischen Schichten, wobei 1.2 die dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen (n_H) und einen niedrigen Brechungsindex (nj aufweisen und 1.3 die optische Schichtdicke der dielektrischen Schichten λ/4 oder λ/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon beträgt dadurch gekennzeichnet, daß 1.4 wenigstens eine λ/4- oder λ/2-Schicht des Schichtsystems eine von dem hohen (n_H) oder niedrigen Brechungsindex (nj der übrigen

Schichten des Schichtsystems abweichenden Brechungsindex aufweisen.

2. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der n_H bzw. n_L abweichende Brechwert derart gewählt wird, daß die Ausprägung von Ripples minimiert wird.

3. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis

2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmalbandfilter eine Vielzahl von reflektierenden λ/4-Stacks mit einer Vielzahl von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden λ/4 Schichten mit einem hohen (n_H) und einem niedrigen (nj Brechungsindex umfaßt.

4. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein reflektierender λ/4-Stack wenigstens eine Schicht mit einem Brechungsindex, der von dem hohen (n_H) bzw. niedrigen

Brechungsindex (nj der übrigen Schichten abweicht, umfaßt.

5. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schichten eines reflektierenden λ/4-Stacks einen Brechungsindex aufweisen, der vom hohen (n_H) bzw. niedrigen Brechungsindex (n^ der übrigen Schichten abweicht.

6. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der interferenzoptische Schmalbandfilter zwischen den reflektierenden λ/4-Stacks Spacerschichten umfaßt.

7. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spacerschichten eine oder mehrere λ/2-Schichten umfassen.

8. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Interferenzfilter eine Vielzahl von Cavities, umfassend mehrere reflektierende Stacks umfaßt.

9. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der interferenzoptische Schmalbandfilter zwischen den Cavities Koppelschichten umfaßt.

10. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Multiplexen/Demultiplexen in WDM und DWDM-Systemen.

11. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als Farbteiler.

12. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als Kantenfilter mit extrem kontrollierter Flankensteilheit.

13. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, als Gain-Flattening-Filter.

14. Plasmaimpuls CVD-Verfahren zur Herstellung von interferenzoptischen

Schmalbandfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß 14.1 zum Herstellen einer λ/2 bzw. λ/4-Schicht mit einem hohen (n_H) bzw. niedrigen Brechungsindex (nj die Verfahrensparameter und/oder

Prozeßgase voreingestellt werden und daß 14.2 zum Zwecke der Herstellung einer λ/2- bzw. λ/4-Schicht mit einem von dem hohen (n_H) bzw. niedrigen Brechwert (nj geringfügig abweichenden Brechwert die voreingestellten Verfahrensparameter und/oder Prozeßgase zwischen zwei aufeinanderfolgenden

Plasmaimpulsen geändert werden.