ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР
MULTILAYER OTICAL BANDPASS FILTER

Изобретение относится к волоконно-оптической технике и может быть использовано в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света.
в
н
Известен оптический 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]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления. В нем все диэлектрические слои с высоким показателем преломления (n) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (n) выполнены из второго материала. Три диэлектрических слоя фильтра имеют оптическую толщину λ/2, где λ - средняя длина волны в полосе пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные диэлектрические слои имеют оптическую толщину λ/4. Они образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы друг от друга и от внешнего пространства. Количество слоев в наружных и внутренних зеркалах определяется предложенными математическими формулами, зависящими только от двух величин - от отношения показателей преломления двух используемых материалов и от относительной ширины полосы пропускания фильтра.
Недостатком известного аналога 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 (полуволновых слоев), 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.
в
н
с
в
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является многорезонаторный фильтр [Прототип: Н.A. Macleod. Thin-film optical filters. 4-th ed., Tucson: CRC Press, © 2010 Taylor and Francis Group, p.356-357, Figure 8.22]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким (n=2.35) и низким (n=1.35) показателями преломления, расположенные между двумя стеклянными пластинами (n=1.52). Все резонансные слои выполнены из материала с высоким показателем преломления (n) и имеют оптическую толщину λ/2, а все слои диэлектрических зеркал имеют оптическую толщину λ/4. Все зеркала, расположенные между резонансными полуволновыми слоями, одинаковы. Остальные два зеркала (наружные) имеют меньшее число слоев, чем внутренние зеркала. Они также одинаковы.
Недостатком многорезонаторного фильтра является принципиальная невозможность реализации фильтра как с точно заданной шириной полосы пропускания, так и с точно заданной неравномерностью коэффициента прохождения света в этой полосе. Этот недостаток связан с тем, что отражательные способности всех внутренних зеркал одинаковы. Кроме того, для устранения этого недостатка требуется плавная настройка отражательной способности каждого из зеркал, но, меняя только количество слоев в зеркале, этого достичь невозможно.
Для выравнивания неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания многорезонаторного фильтра требуется, чтобы отражательная способность диэлектрических зеркал монотонно убывала от центра фильтра к его наружным границам. В фильтрах с меньшей неравномерностью отражательная способность зеркал убывает быстрее, чем в фильтрах с большей неравномерностью. В фильтрах с большей шириной полосы пропускания отражательная способность каждого зеркала меньше, чем отражательная способность соответствующего зеркала в фильтрах с меньшей шириной полосы пропускания.
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания фильтра, а также возможность уменьшения неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе до любой заданной величины.
новым
i
i
i
i
i
A
B
C,
A
Bi
Ci
i
i
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mn>2</mn><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>C</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>n</mi><mi>B</mi></msub><msub><mi>n</mi><mi>C</mi></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>n</mi><mi>B</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>n</mi><mi>C</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Технический результат достигается тем, что в оптическом многослойном полосно-пропускающем фильтре, содержащем полуволновые слои диэлектрика, являющиеся резонаторами, и прилегающие к ним многослойные диэлектрические зеркала, разделяющие один резонатор от другого, а также крайние резонаторы от окружающего пространства, все вместе образующие симметричную конструкцию,  является то, что период i-го многослойного диэлектрического зеркала выражается конструкцией ABCB, где A, B, C - три слоя диэлектриков с показателями преломления n>n>n одинаковыми во всех многослойных диэлектрических зеркалах, слой A во всех многослойных диэлектрических зеркалах имеет электрическую толщину θ=π/2, а электрические толщины θ и θ слоев B и C зависят от места расположения i-го многослойного диэлектрического зеркала и удовлетворяют условию
.
C
i
<mrow><msup><mrow><msub><mrow><mtext>(AB</mtext></mrow><mtext>i</mtext></msub><msub><mtext>C</mtext><mtext>i</mtext></msub><msub><mtext>B</mtext><mtext>i</mtext></msub><mtext>)</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>m</mtext><mtext>i</mtext></msub></mrow></msup><mtext>A</mtext></mrow>
В случае, когда полуволновые слои диэлектрика имеют показатель преломления n, каждое многослойное диэлектрическое зеркало характеризуются конструкцией
, где m - число периодов в i-м многослойном диэлектрическом зеркале.
A
1
i
<mrow><msup><mrow><msub><mrow><mtext>(AB</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><msub><mtext>C</mtext><mtext>1</mtext></msub><msub><mtext>B</mtext><mtext>1</mtext></msub><mtext>)</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>m</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mtext>B</mtext><mtext>i</mtext></msub><msub><mtext>C</mtext><mtext>i</mtext></msub><msub><mtext>B</mtext><mtext>i</mtext></msub><msup><mrow><msub><mrow><mtext>(AB</mtext></mrow><mtext>i</mtext></msub><msub><mtext>C</mtext><mtext>i</mtext></msub><msub><mtext>B</mtext><mtext>i</mtext></msub><mtext>)</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>m</mtext><mtext>i</mtext></msub></mrow></msup></mrow>
В случае, когда полуволновые слои диэлектрика имеют показатель преломления n, оба наружные многослойные диэлектрические зеркала характеризуются конструкцией
, где m - число периодов в первом (наружном) многослойном диэлектрическом зеркале, а i-е внутреннее многослойное диэлектрическое зеркало характеризуется конструкцией
, где m - число периодов в i-м многослойном диэлектрическом зеркале.
i
i
i
i
i
A
B
C,
A
Bi
Ci
i
i
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mn>2</mn><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>C</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>n</mi><mi>B</mi></msub><msub><mi>n</mi><mi>C</mi></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>n</mi><mi>B</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>n</mi><mi>C</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Заявляемый оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр отличается от прототипа тем, что период i-го многослойного диэлектрического зеркала выражается конструкцией ABCB, где A, B, C - три слоя диэлектриков с показателями преломления n>n>n одинаковыми во всех многослойных диэлектрических зеркалах, слой A во всех многослойных диэлектрических зеркалах имеет электрическую толщину θ=π/2, а электрические толщины θ и θ слоев диэлектриков B и C зависят от места расположения многослойного диэлектрического зеркала и удовлетворяют единому условию
.
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».
Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицами.
A
r
На фиг.1 изображена последовательность расположения слоев диэлектриков в Примере 1 выполнения заявляемого фильтра. На схеме резонансные полуволновые слои, имеющие показатель преломления n, обозначены A. Слои диэлектрика с тем же показателем преломления, но входящие в состав многослойных диэлектрических зеркал, обозначены A.
21
11
ij
0
На фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра, описанного в Примере 1. Сплошной линией изображена зависимость коэффициента прохождения света S, а штриховой линией - коэффициента отражения S (S - компоненты матрицы рассеяния фильтра). Значения обоих коэффициентов выражены в децибелах, текущая частота f нормирована на центральную частоту полосы пропускания f.
C
r
i
На фиг.3 изображена последовательность расположения слоев диэлектриков в Примере 2 выполнения заявляемого фильтра. На схеме резонансные полуволновые слои, имеющие показатель преломления n, обозначены C. Слои диэлектрика с тем же показателем преломления, но входящие в состав многослойных диэлектрических зеркал, обозначены C (i=1, 2, 3).
На фиг.4 представлены АЧХ фильтра, описанного в Примере 2.
A
r
На фиг.5 изображена последовательность расположения слоев диэлектриков в Примере 3 выполнения заявляемого фильтра. На схеме резонансные полуволновые слои, имеющие показатель преломления n, обозначены A. Слои диэлектрика с тем же показателем преломления, но входящие в состав многослойных диэлектрических зеркал, обозначены A.
На фиг.6 представлены АЧХ фильтра, описанного в Примере 3.
В табл.I приведены значения параметров слоев зеркал в Примере 1. Нумерация зеркал (i) производится в направлениях от наружных поверхностей конструкции к ее центру.
В табл.II приведены значения параметров слоев зеркал в Примере 2.
В табл.III приведены значения параметров слоев зеркал в Примере 3.
A
B
C
r
A
Bi
Ci
i
i
Пример 1 осуществления изобретения. Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр выполнен из трех диэлектрических материалов с показателями преломления n, n и n. Он содержит 33 слоя, из которых 3 слоя (A) являются полуволновыми резонаторами с показателем преломления n. Остальные слои образуют 4 многослойных зеркала, отделяющих один полуволновый резонатор от другого, а также крайние резонаторы от окружающего пространства. Порядок расположения слоев показан на фиг.1. Два наружных зеркала (i=1) содержат по 4 слоя, а два внутренних зеркала (i=2) содержат по 11 слоев. Параметры слоев фильтра приведены в Таблице 1. Содержащиеся в ней электрические толщины θ и θ слоев диэлектриков B и C удовлетворяют условию
r
1
2
1
2
Слои A и A выполняются из кремния (Si), слои B и B выполняются из моноокиси кремния (SiO), а слои C и C - из фторида натрия (NaF).
11
21
В Примере 1 достижение технического результата, а именно уменьшения неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания фильтра, подтверждается АЧХ фильтра, представленными на фиг.2. Относительная ширина полосы пропускания фильтра равна 5%. Все два максимума коэффициента отражения S в полосе пропускания расположены на уровне -15 дБ, а отвечающие им два минимума коэффициента прохождения S имеют глубину всего -0.14 дБ, что на порядок лучше, чем в прототипе.
A
B
C
r
C
Bi
Ci
i
i
1
2
3
2
r
1
2
3
Пример 2 осуществления изобретения. Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр выполнен из трех диэлектрических материалов с показателями преломления n, n и n. Он содержит 67 слоев, из которых 5 слоев (C) являются полуволновыми резонаторами с показателем преломления n. Остальные слои образуют 6 многослойных зеркал, отделяющих один полуволновый резонатор от другого, а также крайние резонаторы от окружающего пространства. Порядок расположения слоев показан на фиг.3. Два наружных зеркала (i=1) содержат по 5 слоев, а четыре внутренних зеркала (i=2, 3) содержат по 13 слоев. Параметры слоев фильтра приведены в Таблице II. Содержащиеся в ней электрические толщины θ и θ слоев диэлектриков B и C удовлетворяют условию (1). Все слои A выполняются из германия (Ge), слои B, B и B выполняются из рутила (TiO), а слои C, C, C и C являются воздушными зазорами.
11
21
В Примере 2 достижение технического результата, а именно уменьшения неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания фильтра, подтверждается АЧХ фильтра, представленными на фиг.4. Относительная ширина полосы пропускания фильтра равна 1.4%. Все четыре максимума коэффициента отражения S в полосе пропускания расположены на уровне -15 дБ, а отвечающие им четыре минимума коэффициента прохождения S имеют глубину всего -0.14 дБ, что на порядок лучше, чем в прототипе.
A
B
C
r
A
Bi
Ci
i
i
r
1
2
3
1
2
3
Пример 3 осуществления изобретения. Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр выполнен из трех диэлектрических материалов с показателями преломления n, n и n. Он содержит 57 слоев, из которых 5 слоев (A) являются полуволновыми резонаторами с показателем преломления n. Остальные слои образуют 6 многослойных зеркал, отделяющих один полуволновый резонатор от другого, а также крайние резонаторы от окружающего пространства. Порядок расположения слоев показан на фиг.5. Два наружных зеркала (i=1) содержат по 4 слоя, а четыре внутренних зеркала (i=2, 3) содержат по 11 слоев. Параметры слоев зеркал приведены в Таблице III. Содержащиеся в ней электрические толщины θ и θ слоев диэлектриков B и C удовлетворяют условию (1). Слои A и A выполняются из кремния (Si), слои B, B и B выполняются из моноокиси кремния (SiO), а слои C, C и C из фторида натрия (NaF).
11
21
В Примере 3 достижение технического результата, а именно уменьшения неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания фильтра, подтверждается АЧХ фильтра, представленными на фиг.6. Относительная ширина полосы пропускания фильтра равна 5%. Все четыре максимума коэффициента отражения S в полосе пропускания расположены на уровне -15 дБ, а отвечающие им четыре минимума коэффициента прохождения S имеют глубину всего -0.14 дБ, что на порядок лучше, чем в прототипе.
i
i
i
i
i
A
B
C
Bi
Ci
i
i
Пример 1, Пример 2 и Пример 3 отличаются от известных конструкций фильтров тем, что период i-го многослойного диэлектрического зеркала выражается конструкцией ABCB, где A, B, C - три слоя диэлектриков с показателями преломления n>n>n,одинаковыми во всех многослойных диэлектрических зеркалах. Электрические толщины θ и θ слоев диэлектриков B и C зависят от места расположения многослойного диэлектрического зеркала и удовлетворяют единому условию (1).
i
i
i
0
i
Di
Di
C
Di
B
Bi
Ci
i
i
Di
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Фильтры в Примере 1, Примере 2 и Примере 3 работают следующим образом. В каждом зеркале фильтра трехслойная структура BCB эквивалентна для некоторой области частот вблизи центральной частоты f некоторому слою D с электрической толщиной θ=π/2 и показателем преломления n из диапазона n<n<n, если электрические толщины θ и θ слоев B и C удовлетворяют условию (1). При этом показатель преломления n будет тем выше, чем толще слой B. Эквивалентность трехслойной структуры BCB одному слою D означает, что используемые многослойные диэлектрические зеркала с периодом ABCB эквивалентны стандартным многослойным диэлектрическим зеркалам с периодом AD. Поэтому многослойные диэлектрические зеркала в Примере 1, Примере 2 и Примере 3 также как и стандартные зеркала, формируют достаточно широкие полосы заграждения фильтра. Свет в полосах заграждения испытывает сильное отражение.
Bi
Ci
i
i
i
0
i
i
i
i
Условие (1) для электрических толщин θ и θ получается в результате обнуления диагональных элементов матрицы передачи для симметричной трехслойной структуры BCB на центральной частоте f. Это условие является необходимым условием эквивалентности трехслойной структуры BCB одному четвертьволновому слою D, так как диагональные элементы матрицы передачи для любого четвертьволнового слоя всегда равны нулю.
i
i
i
A
Di
Bi
Ci
Преимуществом многослойного зеркала, период которого выражается конструкцией ABCB, является то, что его отражательную способность, определяемую контрастом показателей n и n, можно плавно перестраивать, меняя одновременно θ и θ и соблюдая условие (1).
r
r
r
r
Полосу пропускания фильтра формируют слои A (C), являющиеся полуволновыми резонаторами. Она располагается в центре полосы заграждения. Ее ширина тем меньше, чем больше отражательная способность зеркал. Количество минимумов отражения света в полосе пропускания, называемое порядком фильтра, равно числу полуволновых слоев A (C). Глубина минимумов прохождения света, расположенных на частотах между минимумами отражения, сильно зависит от отражательной способности каждого из зеркал. Для выравнивания глубины всех минимумов прохождения требуется обеспечить определенные величины отражательных способностей зеркал. Отражательная способность зеркал в фильтре с выравненной неравномерностью коэффициента прохождения монотонно убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции. При этом скорость убывания увеличивается с уменьшением глубины минимумов.
A
B
C
i
Bi
Ci
Грубая настройка полосы пропускания фильтра при заданных значениях показателей преломления n, n и n осуществляется подбором числа периодов n для каждого зеркала. Тонкая настройка осуществляется подбором электрической толщины θ вместе с толщиной θ, отвечающей условию (1).
Таким образом, преимуществом заявляемого оптического многослойного фильтра является то, что, используя в нем всего три материала с неодинаковыми показателями преломления, можно плавно перестраивать как ширину его полосы пропускания, так и величину неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе.
Таблица I
i
m<sub>i</sub>
n<sub>A</sub>
n<sub>B</sub>
n<sub>C</sub>
θ<sub>A</sub>
θ<sub>Bi</sub>
θ<sub>Ci</sub>
1
1
3.479
2.315
1.321
π/2
0.6500
0.23465
2
2
3.479
2.315
1.321
π/2
0.3900
0.71625
Таблица II
i
m<sub>i</sub>
n<sub>A</sub>
n<sub>B</sub>
n<sub>C</sub>
θ<sub>A</sub>
θ<sub>Bi</sub>
θ<sub>Ci</sub>
1
1
4.0
2.5
1.0
π/2
0.7730
0.0171
2
3
4.0
2.5
1.0
π/2
0.5525
0.3338
3
3
4.0
2.5
1.0
π/2
0.4895
0.4341
Таблица III
i
m<sub>i</sub>
n<sub>A</sub>
n<sub>B</sub>
n<sub>C</sub>
θ<sub>A</sub>
θ<sub>Bi</sub>
θ<sub>Ci</sub>
1
1
3.479
2.315
1.321
π/2
0.7000
0.1474
2
2
3.479
2.315
1.321
π/2
0.4116
0.6337
3
2
3.479
2.315
1.321
π/2
0.2796
0.9423