(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高屈折率の媒質層と低屈折率の媒質層とが交互積層された多層膜構造を有し、光学特性として透過域の仕様と阻止域の仕様が要求される広帯域光フィルタであって、
基板と、その基板上に形成された多重共振器層と、その多重共振器層の上に形成された反射防止膜層とを具備し、
上記多重共振器層は、中央に配され、それ自体で上記阻止域の仕様を充たすコア共振器層と、そのコア共振器層を挟んで対称に配され、上記透過域における光の反射を抑圧する両外側共振器層とからなり、
上記コア共振器層は対称に配された２種類の共振器によって構成され、
上記外側共振器層は共振器の積み重ねによって構成され、
上記コア共振器層及び外側共振器層を構成する共振器のすべてがその単体での透過域の中心波長を共有すると共に、それら共振器の交互積層されている上記媒質層のすべてがその中心波長の１／４波長の整数倍の光学膜厚を有することを特徴とする広帯域光フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の広帯域光フィルタにおいて、
上記コア共振器層は、それ自体で上記透過域の透過率仕様の半値を充たしていることを特徴とする広帯域光フィルタ。
【請求項３】
請求項１乃至２記載のいずれかの広帯域光フィルタにおいて、
上記外側共振器層は２種類以上の共振器の積み重ねによって構成され、かつ上記コア共振器層に対して外側に位置する共振器ほど、単体で広い透過域幅を有していることを特徴とする広帯域光フィルタ。
【請求項４】
高屈折率の媒質層と低屈折率の媒質層とが交互積層された多層膜構造を有し、光学特性として透過域の仕様と阻止域の仕様が要求される広帯域光フィルタの積層構造を、与えられた積層構造の光学多層膜の光学特性を計算するシミュレーション手段を用いて決定する方法であって、
第１のステップとして、
（（ＨＬ）a02・ｂ02Ｌ・（ＬＨ）a02・Ｌ）n02
・（（ＨＬ）a01・ｂ01Ｌ・（ＬＨ）a01・Ｌ）n01
・（（ＨＬ）a02・ｂ02Ｌ・（ＬＨ）a02・Ｌ）n02
なる積層構造をもち、その光学特性が上記阻止域の仕様を充たすと共に、上記透過域の透過率仕様の半値を充たす多重共振器を構成する整数ａ01,ａ02,偶数ｂ01,ｂ02及び整数ｎ01,ｎ02の組を上記シミュレーション手段によって１組以上探し出す工程と、
第２のステップとして、第１のステップで探し出した１組以上のａ01,ａ02,ｂ01,ｂ02,ｎ01,ｎ02の組から、上記透過域における透過率の最小値が最大の組を選択する工程と、
第３のステップとして、第２のステップで選択したａ01,ａ02,ｂ01,ｂ02,ｎ01,ｎ02の組に対し、
0003646253.tif 000004
なる積層構造をもち、その光学特性が上記透過域の仕様を充たす多重共振器を構成する整数ａi と偶数ｂi （ｉ＝１，２，…,ｎ）の組を、
（ＨＬ）ai ・ｂi Ｌ・（ＬＨ）ai ・Ｌ
で表される共振器単体において、ｉ＋１の共振器の透過域幅がｉの共振器の透過域幅より広いことを条件に上記シミュレーション手段によって探し出す工程と、
第４のステップとして、第３のステップで決定した仮想積層構造における一方の基板を反射防止膜層に置換する工程とを有することを特徴とする広帯域光フィルタの積層構造決定方法。
但し、Ｈ及びＬはそれぞれ使用中心波長の１／４波長の光学膜厚を有する高屈折率の媒質層及び低屈折率の媒質層を表わす。また、上記第２のステップにおいて、ａ01＝ａ02かつｂ01＝ｂ02である場合を排除する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は主に１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の透過域幅を有するものとして作製される広帯域光フィルタに関し、特に互いに屈折率の異なる２種類の媒質層が交互に積層されてなる多層膜構造を有する広帯域光フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学多層膜は各層の屈折率、膜厚（層厚）、層数及び積層順などを選定することで様々な光学特性を得ることができ、一般に市販のシミュレーション・ソフトを用いて仕様を充たす積層構造を探す作業が行われ、続いてこれを正確に再現する成膜が行われる。
成膜は通常、膜厚計を使用して膜厚をモニタしながら行われ、高精度の膜厚制御が要求される場合には光学式膜厚計が一般に使用されている。
【０００３】
光学式膜厚計は成膜中の膜に所定の波長（モニタ波長）の光を入射させ、その透過光量もしくは反射光量を検出して膜厚を測定するもので、検出光量はモニタ波長の１／４波長の光学膜厚を極値として変化するため、その極値検出によって１／４波長の整数倍の光学膜厚を極めて高精度に測定することができるものとなっている。
ところで、光学多層膜よりなる広帯域光フィルタの積層構造においては、従来は高屈折率の媒質層と低屈折率の媒質層とを交互積層し、それら各層の膜厚を使用中心波長の１／４波長の整数倍の光学膜厚として共振器構造（キャビティ構造）とするといった考えに基づいて、あるいは交互積層する両媒質層の全層を任意膜厚として最適化した積層構造とするといった考えに基づいて決定されていた。
【０００４】
図８Ａはこのような１／４波長の整数倍の光学膜厚の共振器構造とした広帯域光フィルタを模式的に示したものであり、図８Ｂはその光学特性を示したものである。図８Ａ中、１１は基板を示し、１２は共振器構造を示す。また、図８Ｂ中、太線は左軸に対応し、そのトップを拡大表示した細線は右軸に対応する。なお、図８Ｂ中の細枠は要求される光学特性（透過域、阻止域、透過率）を示している。
この例では各層が１／４波長の整数倍の光学膜厚とされているため、光学式膜厚計を用い、透過もしくは反射光量の極値検出をすることによって高精度に成膜することはできるものの、図８Ｂに示したように透過域での透過率は仕様に充たず、またリップルも大きいものとなっている。
【０００５】
このような光学特性となる、言い換えればこのような光学特性しか得られない理由は多層膜の設計に係るパラメータのあまりの多さと自由度の大きさのために要求される光学特性を実現する積層構造、つまり最適な１／４波長光学膜厚の共振器構造を探し出すことが至難であることにより、よって従来の１／４波長光学膜厚の共振器構造の考え方では要求される光学特性を充たすのに限界が生じていた。
図９Ａは全層が任意膜厚で最適化された広帯域光フィルタを模式的に示したものであり、図９Ｂは図８Ｂと同様に、その光学特性を示したものである。図９Ａ中、１３は最適化された任意膜厚構造を示す。
【０００６】
この例では図９Ｂに示したように要求される光学特性を充たすことはできるものの、光学式膜厚計では任意膜厚の測定は精度が得られず、非常に困難であるため、任意膜厚を高精度に膜厚制御することは非常に難しく、よってこのような積層構造の成膜は非常に困難かまたは実際には不可能な状況となっている。
一方、この種の広帯域光フィルタに対して要求される光学特性の厳しい仕様を充たす積層構造として、共振器構造を基本とした２つの積層構造が従来提案されている。
【０００７】
第１は、積層構造の構成単位である各層の膜厚をすべて１／４波長の整数倍の光学膜厚とするのではなく、一部の層に１／４波長の整数倍の条件に束縛されない任意膜厚を導入して光学特性の向上をはかるものであり、その代表的な手法が特許第２９６１２３５号公報に開示されている。
任意膜厚の導入には優れた光学特性を実現する可能性が有ると考えられるものの、具体的な指針のない単なる条件の解放はシミュレーションの自由度を徒らに拡大してしまうため、普通はこれを導入しない。しかしながら、この特許第２９６１２３５号公報に記載されている具体的に特定された方法でこれを導入すれば積層構造の決定が現実的に可能となる。
【０００８】
第２は、任意膜厚ではないが、やはり通常の基本的な１／４波長光学膜厚の共振器構造にはない層を積層構造に導入する方法であり、例えば半波長層を導入する積層構造が特開平１１−１５３７１１号公報に開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記第１の方法では、シミュレーション上では優れた光学特性を示す広帯域光フィルタの積層構造を決定できても、これを実際に成膜することには大きな困難がある。
つまり、前述したように任意膜厚を高精度に膜厚制御することは非常に難しく、よって任意膜厚が一部の層であってもそのような積層構造の成膜は実際には実行する手段がないのである。
【００１０】
一方、上記第２の方法は、導入されるものが半波長層であるため、成膜の工程には支障はない。しかしながら、ここで提案された方法も基本的にシミュレーションにより相当数の試行錯誤を行いながら仕様を充たす積層構造を探し出すことに変わりがないうえ、半波長層という新たな変数を導入したため、シミュレーションの自由度と計算量が従来より拡大してしまっている。
この発明の目的は上述した問題に鑑み、要求される光学特性を充たし、かつ成膜時の膜厚制御も容易で実際に成膜可能な広帯域光フィルタを提供することにあり、さらにシミュレーションによるその積層構造の決定を少ない計算量で、つまり短時間で行うことができる方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、高屈折率の媒質層と低屈折率の媒質層とが交互積層された多層膜構造を有し、光学特性として透過域の仕様と阻止域の仕様が要求される広帯域光フィルタは、基板と、その基板上に形成された多重共振器層と、その多重共振器層の上に形成された反射防止膜層とを具備し、多重共振器層は、中央に配され、それ自体で上記阻止域の仕様を充たすコア共振器層と、そのコア共振器層を挟んで対称に配され、上記透過域における光の反射を抑圧する両外側共振器層とからなり、コア共振器層は対称に配された２種類の共振器によって構成され、外側共振器層は共振器の積み重ねによって構成され、コア共振器層及び外側共振器層を構成する共振器のすべてがその単体での透過域の中心波長を共有すると共に、それら共振器の交互積層されている媒質層のすべてがその中心波長の１／４波長の整数倍の光学膜厚を有するものとされる。
【００１２】
請求項２の発明では請求項１の発明において、コア共振器層は、それ自体で上記透過域の透過率仕様の半値を充たしているものとされる。
請求項３の発明では請求項１乃至２のいずれかの発明において、外側共振器層は２種類以上の共振器の積み重ねによって構成され、かつコア共振器層に対して外側に位置する共振器ほど、単体で広い透過域幅を有しているものとされる。
請求項４の発明によれば、高屈折率の媒質層と低屈折率の媒質層とが交互積層された多層膜構造を有し、光学特性として透過域の仕様と阻止域の仕様が要求される広帯域光フィルタの積層構造を、与えられた積層構造の光学多層膜の光学特性を計算するシミュレーション手段を用いて決定する方法は、
第１のステップとして、
（（ＨＬ）a02・ｂ02Ｌ・（ＬＨ）a02・Ｌ）n02
・（（ＨＬ）a01・ｂ01Ｌ・（ＬＨ）a01・Ｌ）n01
・（（ＨＬ）a02・ｂ02Ｌ・（ＬＨ）a02・Ｌ）n02
なる積層構造をもち、その光学特性が上記阻止域の仕様を充たすと共に、上記透過域の透過率仕様の半値を充たす多重共振器を構成する整数ａ01,ａ02、偶数ｂ01,ｂ02及び整数ｎ01,ｎ02の組を上記シミュレーション手段によって１組以上探し出す工程と、
第２のステップとして、第１のステップで探し出した１組以上のａ01,ａ02,ｂ01,ｂ02,ｎ01,ｎ02の組から、上記透過域における透過率の最小値が最大の組を選択する工程と、
第３のステップとして、第２のステップで選択したａ01,ａ02,ｂ01,ｂ02,ｎ01,ｎ02の組に対し、
0003646253.tif 000002
なる積層構造をもち、その光学特性が上記透過域の仕様を充たす多重共振器を構成する整数ａi と偶数ｂi （ｉ＝１，２，…,ｎ）の組を、
（ＨＬ）ai ・ｂi Ｌ・（ＬＨ）ai ・Ｌ
で表される共振器単体において、ｉ＋１の共振器の透過域幅がｉの共振器の透過域幅より広いことを条件に上記シミュレーション手段によって探し出す工程と、第４のステップとして、第３のステップで決定した仮想積層構造における一方の基板を反射防止膜層に置換する工程とを有するものとされる。
【００１３】
但し、Ｈ及びＬはそれぞれ使用中心波長の１／４波長の光学膜厚を有する高屈折率の媒質層及び低屈折率の媒質層を表わす。また、第２のステップにおいて、ａ01＝ａ02かつｂ01＝ｂ02である場合を排除する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照しながら実施例により説明する。
図１Ａはこの発明による広帯域光フィルタの一実施例の構成を模式的に示したものであり、図１Ｂは前述した図８Ｂ、図９Ｂと同様に、その光学特性を示したものである。
この例では広帯域光フィルタ２０は基板１１と、その基板１１上に形成された多重共振器層２１と、その多重共振器層２１の上に形成された反射防止膜層２２とを具備するものとされ、多重共振器層２１は中央に配されたコア共振器層２３と、そのコア共振器層２３を挟んで対称に配された両外側共振器層２４，２４とからなるものとされる。
【００１５】
コア共振器層２３は対称に配された２種類の共振器によって構成され、外側共振器層２４は共振器の積み重ねによって構成されている。
これら共振器（キャビティ）は、
（ＨＬ）a ・ｂＬ・（ＬＨ）a ・Ｌ
で表わされる積層構造を有するもので、詳しくはそのうちの（ＨＬ）a -1Ｈ，（ｂ＋２）Ｌ，Ｈ（ＬＨ）a -1の ３つの部分がそれぞれ順にミラー部、スペーサ部、ミラー部を構成する。
【００１６】
Ｈ及びＬはそれぞれ使用中心波長の１／４波長の光学膜厚を有する高屈折率の媒質層及び低屈折率の媒質層を表わし、ａは整数であって、（ＨＬ）及び（ＬＨ）で表わされる２層の繰り返し積層数を表わす。また、ｂは偶数（０を含む）とされる。ａ及びｂは各共振器に対して決定される。
この例ではコア共振器層２３及び外側共振器層２４を構成する共振器のすべてが、その単体での透過域の中心波長を共有すると共に、それら共振器の交互積層されている高屈折率及び低屈折率の媒質層のすべてがその中心波長の１／４波長の整数倍の光学膜厚を有するものとされる。
【００１７】
広帯域光フィルタ２０に対しては、透過域の仕様と阻止域の仕様とが光学特性として要求され、阻止域においてはその帯域及び透過率が要求され、透過域においてはその帯域、透過率及びリップル等が要求される。
これら要求仕様に対し、この例ではコア共振器層２３がそれ自体で阻止域の仕様を充たすものとし、このコア共振器層２３を挟んで層構造が全く対称に配される両外側共振器層２４が透過域における光の反射を抑圧し、透過域の透過率向上及びリップル改善を図るものとする。
【００１８】
このような構成を採用し、その条件下でシミュレーションを行うことにより、顕著に少ない計算量で仕様を充たす積層構造を決定することができる。しかも、各層が１／４波長の整数倍の光学膜厚とされているため、光学式膜厚計を用い、高精度に膜厚制御することができ、成膜を容易に行えるものとなっている。
以下、この広帯域光フィルタ２０の積層構造の決定方法を順を追って説明する。なお、積層構造の決定は与えられた積層構造の光学多層膜の光学特性を計算する市販のシミュレーション・ソフトを使用してもよいが、本発明によれば必要なパラメータ等が限定されて計算が著しく簡易になるので、反射防止膜の部分を除き多層膜の特性マトリクスに基づく計算プログラムを容易に作成でき、求める積層構造を決定するまでの以下のステップを含む一連の処理を自動化する事も可能である。
第１ステップ
コア共振器層２３の積層構造を探す。ここではコア共振器層２３は、
（（ＨＬ）a02・ｂ02Ｌ・（ＬＨ）a02・Ｌ）n02
・（（ＨＬ）a01・ｂ01Ｌ・（ＬＨ）a01・Ｌ）n01
・（（ＨＬ）a02・ｂ02Ｌ・（ＬＨ）a02・Ｌ）n02
なる積層構造をもち、その光学特性が阻止域の仕様を充たすと共に、透過域の透過率仕様の半値を充たす多重共振器として、この多重共振器を構成する整数ａ01,ａ02、偶数ｂ01,ｂ02及び共振器の繰り返し積層数を表わす整数ｎ01,ｎ02の組をシミュレーションによって１組以上探し出す。
第２ステップ
第１ステップで探し出した１組以上のａ01,ａ02,ｂ01,ｂ02,ｎ01,ｎ02の組から、透過域における透過率の最小値が最大の組を選択する。これにより、コア共振器層２３の積層構造が決定する。
【００１９】
図２Ａはこのコア共振器層２３を模式的に示したものであり、図２Ｂはその光学特性を示す。
第３ステップ
外側共振器層２４の積層構造を探す。ここでは外側共振器層２４は２種類以上の共振器の積み重ねによって構成され、かつコア共振器層２３に対して外側に位置する共振器ほど、単体で広い透過域幅を有するものとする。即ち、第２ステップで選択したａ01,ａ02,ｂ01,ｂ02,ｎ01,ｎ02の組に対し、
0003646253.tif 000003
なる積層構造をもち、その光学特性が透過域の仕様を充たす多重共振器を構成する整数ａi と偶数ｂi （ｉ＝１，２，…,ｎ）の組を、
（ＨＬ）ai ・ｂi Ｌ・（ＬＨ）ai ・Ｌ
で表される共振器単体において、ｉ＋１の共振器の透過域幅がｉの共振器の透過域幅より広いことを条件にシミュレーションによって探し出す。
【００２０】
なお、ここでは入射媒質との干渉の影響を無視するため、入射媒質を基板と同じにし、対称にして考える。
図３Ａはこの仮想積層構造を模式的に示したものであり、図３Ｂはその光学特性を示す。
第４ステップ
第３ステップで決定した仮想積層構造における一方の基板１１を反射防止膜層２２に置換する。これにより、図１Ａに示したような積層構造となり、図１Ｂに示したように図３Ｂと同様の光学特性が得られるものとなる。
【００２１】
このように、まず阻止域の仕様を充たすコア共振器層２３というものを考え、次にコア共振器層２３の上下に対称に外側共振器層２４を配置して透過域の仕様を充たし、多重共振器層２１全体として要求される光学特性を充たすようにするという手順を採用することにより、少ない計算量で、つまり従来に比し、短時間で積層構造を決定することができるものとなる。
なお、第１ステップにおいて、コア共振器層２３が透過域の透過率仕様の半値を充たすことを条件としているが、例えばこの条件を外してもよい。
【００２２】
また、コア共振器層２３を対称に配した２種類の共振器で構成しているが、このように２種類の共振器でコア共振器層２３を構成した場合には、結果的に単体の共振器として互いに近い透過域を有する２種類の共振器を選択して混合することになり、透過域でのリップルの抑圧された、より平坦な特性を示す広帯域光フィルタが得られるものとなる。
【００２３】
第３ステップにおいては、両外側共振器層２４は外側に向かって順次透過域幅の広い共振器となるように対称に積層してゆく構造を採用しているが、阻止域での反射は内側のコア共振器層２３で既に担保されていることから、必然的に外側に積層してゆく共振器は透過域幅の広いものを選ぶことが可能となり、仕様を充たすａi ,ｂi がそのような条件下に存在することが十分に予測できる。
従って、両外側共振器層２４の積層の対称性と、外側に向って順次透過域幅が広い共振器とするという条件とによって、シミュレーションすべき範囲を著しく絞ることができ、極めて効率良く、仕様を充たす積層構造を探し出すことができる。
【００２４】
さらに、最終的に必要な反射防止膜層２２をシミュレーションに導入せず、基板１１を含め、対称な層構造を仮想的に設定することで、その対称性により計算の負荷を軽減できるものとなっている。
なお、入射媒質との干渉の影響を防ぐ反射防止膜層２２は数層（例えば２層）の膜によって構成され、これら膜は成膜において高精度の膜厚制御を必要としないため、光学式膜厚計を用いることなく、例えば水晶振動子式の膜厚計を用いて成膜でき、また時間制御による成膜とすることもできる。
【００２５】
次に、具体的数値例をもとに、広帯域光フィルタ２０の積層構造及びその光学特性について説明する。
図４は３種類の積層構造▲１▼、▲２▼及び▲１▼＋▲２▼を示したものであり、枠内の数字はコア共振器層２３及び外側共振器層２４のａ，ｂ，ｎの値を示す。
▲１▼，▲２▼はそれぞれコア共振器層２３を１種類の共振器の繰り返しで構成したものであり、▲１▼＋▲２▼は▲１▼，▲２▼の要素となった２種類の共振器を混合して（対称に配して）コア共振器層２３を構成したものである。なお、外側共振器層２４はいずれも同じ層構造を有するものとされ、２種類の共振器の積み重ねによって構成されている。
【００２６】
外側共振器層２４を構成するこれら２種類の共振器は外側に位置する共振器（ａ，ｂ）＝（２，６）が内側に位置する共振器（ａ，ｂ）＝（３，６）より広い透過域幅を有するものとされている。
なお、
（ＨＬ）a・ｂＬ・（ＬＨ）a・Ｌ
で表わされる共振器単体の透過域幅の、ａ，ｂのマトリクスに対する計算例を図５に例示する。透過域幅は透過率−０．２５ｄＢで規定した値を示す。
【００２７】
図６は▲１▼,▲２▼及び▲１▼＋▲２▼のコア共振器層２３のみの光学特性を示したものであり、各コア共振器層２３はそれ自体で透過域の透過率仕様の半値（−３ｄＢ）を充たすものとなっている。
図７はそれらに外側共振器層２４が付加された広帯域光フィルタ２０の各光学特性を示したものである。図７より、２種類の共振器でコア共振器層２３を構成した場合、透過域のリップルが改善されていることがわかり、リップルが小さく、要求される光学特性を充たす広帯域光フィルタ２０が得られるものとなる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、要求される光学特性を充たす積層構造を短時間で探し出すことができ、かつ成膜時の膜厚制御も容易で実際に高精度に成膜できる広帯域光フィルタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａはこの発明による広帯域光フィルタの一実施例の積層構造を示す模式図、Ｂはその光学特性を示すグラフ。
【図２】Ａは図１Ａの積層構造の決定過程におけるコア共振器層を示す模式図、Ｂはその光学特性を示すグラフ。
【図３】Ａは図１Ａの積層構造の決定過程における仮想積層構造を示す模式図、Ｂはその光学特性を示すグラフ。
【図４】この発明による広帯域光フィルタの積層構造の具体例を説明するための図。
【図５】共振器単体の透過域幅の、ａ，ｂのマトリクスに対する計算例を示す表。
【図６】図４に示した広帯域光フィルタのコア共振器層のみの光学特性を示すグラフ。
【図７】図４に示した広帯域光フィルタの光学特性を示すグラフ。
【図８】Ａは従来の１／４波長光学膜厚の共振器構造とされた広帯域光フィルタを示す模式図、Ｂはその光学特性を示すグラフ。
【図９】Ａは従来の全層が任意膜厚の最適化された積層構造とされた広帯域光フィルタを示す模式図、Ｂはその光学特性を示すグラフ。
【図１】
0003646253.tif 000005
【図２】
0003646253.tif 000006
【図３】
0003646253.tif 000007
【図４】
0003646253.tif 000008
【図５】
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【図６】
0003646253.tif 000010
【図７】
0003646253.tif 000011
【図８】
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【図９】
0003646253.tif 000013