(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティ層の両側に反射ユニットとして高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとを交互に｛(2n＋1）λ/4｝（ｎは0を含む正の整数)積層し、この基本ユニットを複数積層するファブリペロータイプの誘電体多層膜多キャビティ光フィルタにおいて、各反射ユニットの交互層の一つを、光学膜厚をほとんど変化することなく、交互層に使われている物質と同じ物質を交互に細かく積層した代替積層で置き換えることを特徴とする、多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項２】
積層された複数の基本ユニットのＱ値が外側にいくほど小さくなるように、基本ユニットの反射ユニットを形成する高屈折率層Ｈや低屈折率層Ｌ
を代替積層で置き換える、請求項１記載の多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項３】
キャビティ層の両側に反射ユニットとして高屈折率層Ｈと低屈折率層
Ｌとを交互に｛(2n＋1）λ/4｝（ｎは0を含む正の整数)積層し、この基本ユニットを複数積層するファブリペロータイプの誘電体多層膜多キャビティ光フィルタにおいて、反射ユニットの交互層の一つを、光学膜厚をほとんど変化することなく、交互層に使われている高屈折率物質と低屈折率物質を交互に細かく積層した対称あるいは非対称３層膜で置き換えることを特徴とする、多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項４】
積層された複数の基本ユニットのＱ値が外側にいくほど小さくなるように、基本ユニットの反射ユニットを形成する高屈折率層Ｈや低屈折率層Ｌを代替積層で置き換える、請求項３記載の多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項５】
各反射ユニットの交互層のうち一つの高屈折率層Ｈを対称あ るい
は非対称３層膜で置き換える、請求項３記載の多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項６】
各反射ユニットの交互層のうち一つの低屈折率層Ｌを対称あるいは非対称３層膜で置き換える、請求項３記載の多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項７】
｛(2n＋1）λ/4｝（ｎは0を含む正の整数)の光学膜厚の交互層を、蒸着された膜厚を直接監視する直接監視法を利用して蒸着する、請求項１ないし６いずれか記載の多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項８】
高屈折率層ＨにはＴa2Ｏ5、ＴiＯ2,Ｎb2Ｏ5,ＺrＯ2, ＣeＯ2,のうちの一つを、低屈折率層ＬとしてＳiＯ2,ＭgＦ2,Ａl2Ｏ3のうちの一つを選択する、請求項１ないし６いずれか記載の多キャビティバンドパスフィルタ。
【請求項９】
イオンプラズマや真空蒸着あるいはスパッタ装置で膜厚を直接監視法で監視しつつ、キャビティ層の両側に反射ユニットとして高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとを交互に｛(2n＋1）λ/4｝（ｎは0を含む正の整数)積層する誘電体多層膜光フィルタにおいて、各反射ユニットの交互層の一つを、光学膜厚をほとんど変化することなく交互層に使われている物質と同じ物質を交互に細かく積層した対称あるいは非対称３層膜で置き換える際に、３層膜の第１層目及び２層目の蒸着制御は、直接監視している製品はそのまま続けて蒸着してゆくが、一時的に別モニタあるいは水晶振動子あるいは蒸着時間を参照して積層し、第３層目で直接監視している製品に戻り、訪れるピークあるいはボトムを検知してその蒸着を停止する、多キャビティバンドパスフィルタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長多重光通信や衛星間通信用に用いられるファブリペロ型光フィルタとして３キャビティ以上の狭帯域あるいは広帯域誘電体多層膜多キャビティバンドパスフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＬＨＬＨ（２Ｌ）ＨＬＨＬＨは基本ユニットの一例である。Ｈ又はＬは高屈折率又は低屈折率を有する物質の光学膜厚｛(2n＋1）λ/4｝（ｎは0を含む正の整数)の層を示す。中央の２Ｌはキャビティ層で２×Ｌ（つまりλ／２の整数倍）の光学膜厚である。キャビティ層の両側は反射ユニットと呼ばれ、同じ光学膜厚の高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌを交互に積層した対称なもの。このような基本ユニットを低屈折率層Ｌの接続層を挟んでいくつか積層したのがファブリペロタイプの誘電体多層膜多キャビティ光フィルタである（特公平4-69882号等)。
上記基本ユニットを４組積層した、Air/ARC/(HLHLH2LHLHLHL)3(HLHLH2LHLHLH)/Glass(中心波長1550nmでARCは反射防止膜）の多キャビティバンドパスフィルタの理論透過率特性を図９に示す。透過帯の短波および長波側に等価膜屈折率分散の影響によるリップル（大きな透過率変動）が生じている。
このリップルを改善する方法として、外側基本ユニットの反射ユニットの交互層を少なくした、Air/ARC/(HLHL2HLHLH)L(HLHLH2LHLHLHL)2(HLHL2HLHLH)/Glass の理論透過率特性を図８に示す。別の改善策として中心部の基本ユニットに高次のキャビティ層を採用する、Air/ARC/HLHLH2LHLHLHL(HLHLH4LHLHLHL)2HLHLH2LHLHLH/Glass の理論透過率特性を図７に示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
透過帯域のリップルを改善することは屈折率不整合の改善であり、1)外側基本ユニットの反射ユニットになるほど交互層の層数を少なくする、2)内側基本ユニットのキャビティ層の光学膜厚を4λ/4や6λ/4のように高次にする、3)外側基本ユニットの反射ユニットのＨまたはＬの物質をその中間の屈折率に物質にする。基本ユニットのバンドパスフィルタのＱ値（バンド幅）を変化、つまり外側の基本ユニットほど半値幅を広くすることに他ならない。
高低二種類の屈折率物質を用いて外側の基本ユニットの反射ユニットの交互層の数を減少すべく設計すると、キャビティ層が２Ｌやその整数倍の基本ユニットとキャビティ層が２Ｈやその整数倍の基本ユニットを組み合わせた多キャビティバンドパスフィルタになる。Air/(1.358L0.315H)/HLHLH2LHLHLHL(HLHLHL4HLHLHLHL)3HLHLH2LHLHLH/Glass の理論透過率特性を図６に示す。図７よりも透過率特性は向上しているが、フィルタを傾けて入射角12.5度にすると透過特性は劣化するのが理解される。
キャビティ数に応じて発生する透過帯域のリップルをきめ細かに改善し、また入射角が大きくなった場合でも透過特性が崩れない多キャビティバンドパスフィルタを提供すべく本発明は案出された。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
キャビティ層の両側に反射ユニットとして高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとを交互に｛(2n＋1）λ/4｝（ｎは0を含む正の整数)積層する誘電体多層膜光フィルタにおいて、各反射ユニットの交互層の一つを、光学膜厚をほとんど変化することなく(0.33Ｈ0.32Ｌ0.33Ｈ)あるいは(0.29Ｌ0.192Ｈ0.499Ｌ)等のように分割積層する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
光通信や衛星間通信に用いられる多キャビティバンドパスフィルタでは、積層される各層の光学膜厚誤差は１０-5以下である。イオンプラズマや真空蒸着あるいはスパッタ装置を用いて製品を直接監視しながら膜厚を制御する直接監視法が採用される。{(2n＋1)}λ/４（nは0を含む整数）の光学膜厚の交互層を形成する時、単色光の干渉により約λ／４毎に訪れる透過率あるいは反射率の最大値又は最小値で蒸着を停止する。図５はこの直接監視法下での物理層厚−透過率変化を示すランシートであり、変化曲線のピークとボトムが各交互層の境界にあたる。同図でボトムＨ(1)で高屈折率層Ｈの蒸着は停止され、次の交互層である低屈折率層Ｌの蒸着に切り替わり、ピークＬ(2)に至ると低屈折率層Ｌの蒸着は停止される。この操作を繰り返すことで基本ユニット（ＨＬＨＬＨ２ＬＨＬＨＬＨ）は設計値通りに作製される。キャビティ層(2L)の光学膜厚はλ/2(あるいは整数倍)であるため２Ｌと記載され、反射ユニットの交互層のＨやＬの光学膜厚はλ/4であるためＨまたはＬと記載されている。
【０００６】
高屈折率層Ｈの1層を細分された3層膜に置き換える時の操作を説明する。再び図5のランシートに戻る。同図のピークＬ(4)で高屈折率層Ｈに切り替わる、0.4Ｈ当量分蒸着後(0.4Ｈ(5)の矢印点)に、低屈折率層Ｌに切り替わり、0.188Ｌ当量分蒸着後（0.188Ｌ(6)の矢印点）に元の高屈折率層Ｈに再び切り替わり、0.4Ｈ当量分蒸着後(0.4Ｈ(7)の矢印点)に一つの交互層分(Ｈ）の操作を完了する。交互層の一つの高屈折率層Ｈが、(0.4Ｈ)(0.188Ｌ)(0.4Ｈ)の３層膜で置き換えられたことになる。直接監視法の特徴である前の層の誤差を次の層で自動的に補正する原理がはたらくために、１層目や２層目の誤差は３層目後(0.4Ｈ(7)の矢印点ボトム)に)補正される。３層膜の第１層目及び２層目の蒸着制御は、直接監視している製品はそのまま続けて蒸着してゆくが、一時的に別モニタあるいは水晶振動子あるいは蒸着時間を参照して積層し、第３層目で直接監視している製品に戻りボトムを検知する。
【０００７】
高屈折率層Ｈの屈折率を低くする場合は、各反射ユニットの一つの高屈折率層Ｈを(0.33H)(0.32L)(0.33H)の対称３層膜や、(0.294H)(0.192L)(0.499H)のような非対称3層膜で置き換える。(0.33L)(0.32H)(0.33L)でも良い。0.33とは交互層の光学膜厚を1とした時の比率である。高屈折率層Ｈはより低い屈折率になる。この時の基本ユニット例は、ＨＬ (0.33H)(0.32L)(0.33H) ＬＨ２ＬＨＬ (0.33H)(0.32L)(0.33H) ＬＨになる。低屈折率層Ｌの屈折率を高くする場合は、同じように対称あるいは非対称３層膜で置き換える。基本ユニット例は、Ｈ (0.33L)(0.32H)(0.33L) ＨＬＨＬ２ＬＨ (0.33L)(0.32H)(0.33L) ＨＬＨになる。置き換える低屈折率層Ｌの位置は左右対称である必要はない。低屈折率層Ｌはより高い屈折率になるように代替3層膜が選択される。この時、３層膜全体の光学膜厚は当初の１層膜とほぼ同じになるよう設計する。「ほぼ同じ」とは下記数式１の等価膜厚分散（垂直入射時）の影響を考慮する必要があるためである（γは光学膜厚、ｎは屈折率）。
【０００８】
【数１】
0004653912.tif 000002
【０００９】
本発明は、キャビティ層の両側に反射ユニットとして高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとを交互に｛(2n＋1）λ/4｝（ｎは0を含む正の整数)積層して基本ユニットを形成し、この基本ユニットを複数積層するファブリペロータイプの誘電体多層膜多キャビティ光フィルタにおいて、各反射ユニットの交互層の一つを、光学膜厚をほとんど変化することなく、交互層に使われている高屈折率物質と低屈折率物質を交互に細かく積層した対称あるいは非対称３層膜で置き換えることを特徴とする。基本ユニットのバンドパスフィルタのＱ値が外側ほど小さくなる（つまり半値幅は広くなる）ように、反射ユニットの高屈折率層Ｈの屈折率をより小さくしたりあるいは低屈折率層Ｌの屈折率をより大きくする。中間の屈折率物質を新たに採用するのではなく、高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌに採用されている各屈折率物質を用い、対称あるいは非対称３層膜でＨあるいはＬを置換する。この３層膜の構成割合により任意の中間屈折率層が可能になる。
【００１０】
【実施例】
1)７キャビティバンドパスフィルタの対称３層膜置換例（中心波長＝1555.5nm)基本ユニットをＨＬＨＬＨＬＨＬ (2Ｈ) ＬＨＬＨＬＨＬＨとする。この基本ユニットを全体の中央部に３ユニット使用する。この外側に,
ＨＬＨＬＨＬ (0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ) Ｌ２ＨＬ (0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ) ＬＨＬＨＬＨ。を各１ユニットづつ配置する。更に外側に、
ＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ）ＬＨＬＨＬＨのユニットを各１ユニットづつ配置する。これらの各ユニットを接続層Ｌの層をはさみ、空気側に反射防止膜を配して、
Ａｉｒ／(1.358Ｌ0.315Ｈ）ＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ）ＬＨＬＨＬＨ
ＨＬＨＬＨＬ(0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ)Ｌ２ＨＬ(0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ)ＬＨＬＨＬＨＬ(ＨＬＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ)ＬＨＬＨＬＨＬＨＬ)3
ＨＬＨＬＨＬ(0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ)Ｌ２ＨＬ(0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ)ＬＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ）ＬＨＬＨＬＨ/Ｇｌａｓｓ。
となる。交互層の高屈折率層Ｈを(0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ)の対称３層膜で置換した多キャビティバンドパスフィルタが作製される。交互層の光学膜厚は｛(2n＋1)λ｝／4 (nは0を含む正の整数)。この対称３層膜もほぼこれに等しい。
高屈折率層ＨにはＴa2Ｏ ＴiＯ2,Ｎb2Ｏ5,ＺrＯ2, ＣeＯ2,のうちの一つを 、低屈折率層Ｌとして ＳiＯ2,ＭgＦ2,Ａl2Ｏ3のうちの一つを選択する。Ｔa2Ｏ5（ 屈折率2.13)とＳiＯ2 (屈折率1.46)を採用した時の上記フィルタの理論透過率特性を図１に示し、実際に作製した透過特性図を図２に示す。期待された通りのリップル低減されたフィルタになった。このフィルタを12.5度傾けても特性の劣化はなかった。
【００１１】
2)７キャビティフィルタの非対称３層膜置換例（中心波長＝1555.5nm)
基本ユニットをＨＬＨＬＨＬＨＬ (2Ｈ) ＬＨＬＨＬＨＬＨとする。この基本ユニットを全体の中央部に３ユニット使用する。この外側に,ＨＬＨＬＨＬ (0.29Ｈ0.192Ｌ0.499Ｈ) Ｌ２ＨＬ (0.4Ｈ0.188Ｌ0.4Ｈ) ＬＨＬＨＬＨ。を各１ユニットづつ配置する。更に外側に、ＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ）ＬＨＬＨＬＨの基本ユニットを各１ユニットづつ配置する。これらの各ユニットを接続層Ｌをはさみ、空気側に反射防止の整合層を付け加える。
Air／(1.358Ｌ0.315Ｈ）ＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ）ＬＨＬＨＬＨＬ
ＨＬＨＬＨＬ(0.294Ｈ0.192Ｌ0.499Ｈ)Ｌ２ＨＬ(0.294Ｈ0.192Ｌ0.499Ｈ)ＬＨＬＨＬＨＬ
(ＨＬＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ)ＬＨＬＨＬＨＬＨＬ)3
ＨＬＨＬＨＬ(0.294Ｈ0.192Ｌ0.499Ｈ)Ｌ２ＨＬ(0.294Ｈ0.192Ｌ0.499Ｈ)ＬＨＬＨＬＨＬ
ＨＬＨＬＨＬ(2Ｈ）ＬＨＬＨＬＨ/Ｇｌａｓｓ。
高屈折率層ＨにＴa2Ｏ5（屈折率2.25)、低屈折率層ＬにＳiＯ2 (屈折率1.46)を採用した時の上記フィルタの特性設計図を図３に示し、実際に作製した理論透過特性を図４に示す。期待された通りのリップル低減されたフィルタになった。このフィルタを12.5度傾けても特性の劣化はなかった。
【００１２】
【発明の効果】
要するに、本発明は基本ユニットを構成する各反射ユニットの交互層の一つを、光学膜厚をほとんど変化することなく、交互層に使われている高屈折率物質と低屈折率物質を交互に細かく積層した対称あるいは非対称３層膜で置き換えるため、キャビティ数に応じて発生する透過帯域のリップル（大きな透過率変動）をきめ細かく改善し、入射角が大きくなっても透過特性の劣化のない多キャビティバンドパスフィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射ユニットの交互層の一つを対称３層膜で置き換えた７キャビティバンドパスフィルタの理論透過特性図である。
【図２】図１の７キャビティバンドパスフィルタの作製例の透過特性図である。
【図３】反射ユニットの交互層の一つを非対称３層膜で置き換えた７キャビティバンドパスフィルタの理論透過特性図である。
【図４】図３の７キャビティバンドパスフィルタの作製例の透過特性図である。
【図５】直接監視法での蒸着膜変動の伴う透過率変動を表すランシートである。
【図６】中央の基本ユニットに高次のキャビティ層を採用する従来多キャビティバンドパスフィルタの理論透過特性図である。
【図７】中央の基本ユニットに高次のキャビティ層を採用する従来多キャビティバンドパスフィルタの理論透過特性図である。
【図８】外側に位置する基本ユニットの反射ユニットの交互層数を少なくした従来多キャビティバンドパスフィルタの理論透過特性図である。
【図９】単に同じ基本ユニットを４つ積層した従来多キャビティバンドパスフィルタの理論透過特性図である。
【図１】
0004653912.tif 000003
【図２】
0004653912.tif 000004
【図３】
0004653912.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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