ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2008 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к оптическим многослойным фильтрам, входящим в состав устройств мультиплексирования по длине волны для образования множества спектральных каналов при работе по волоконно-оптическим кабелям связи.

Известны оптические многослойные фильтры (ОМСФ) интерференционного типа, работающие в качестве полосовых или заграждающих фильтров.

Известен полосовой светофильтр (см. патент РФ № 2079861, МПК 6 G02B 5/28, опубл. 20.05.1997 г.). Полосовой светофильтр содержит подложку и многослойное интерференционное покрытие из чередующихся слоев оптической толщиной λ/4 с высоким и низким показателями преломления. В качестве материала подложки использован пленочный светофильтр, имеющий характеристики фильтра, отрезающего коротковолновую область пропускания.

Недостатком данного полосового фильтра является относительно высокий уровень искажений сигнала, обусловленный неоптимальным выбором последовательности и толщины слоев в структуре многослойного покрытия.

Известно отражающее покрытие, используемое в качестве заграждающего фильтра (см. пат. РФ № 2256942, МПК 7 G02B 5/08, G02B 5/28, G02B 5/26, опубл. 20.07.2005 г.). Заграждающий фильтр состоит из диэлектрических слоев А, В и С, где слой А выполнен из материала с низким показателем преломления, слой В - из материала со средним показателем преломления и слой С - из материала с высоким показателем преломления, и толщина слоев составляет λ₀/4, где λ₀ - длина волны середины интервала с высоким отражением, а последовательность слоев имеет вид (CBCABA)^kCDC, где k≥1 целое число.

Недостатком данного заграждающего фильтра является относительно высокий уровень искажений сигнала, обусловленный неоптимальным выбором последовательности и толщины слоев в структуре многослойного покрытия.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является оптический многослойный фильтр (многослойная интерференционная система для дальней инфракрасной области спектра) (см. авт. св. СССР № 1626916, МПК 5 G02B 5/28, опубл. 15.02.1988 г., заявл. 08.12.1988 г.). Оптический многослойный фильтр - прототип состоит из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления, выполнен из полимерного материала, причем с целью уменьшения полосы пропускания в коротковолновой области спектра по крайней мере один слой с высоким показателем преломления выполнен не сплошным, а дискретным, состоящим из совокупности элементарных слоев с высоким и низким показателями преломления.

Недостатком известного оптического многослойного фильтра является низкая технологичность, обусловленная необходимостью использования слоев малой толщины, требующих прецизионных технологий их изготовления, что приводит к существенной погрешности параметров ОМСФ при их серийном производстве.

Целью изобретения является разработка оптического многослойного фильтра с регулярной структурой слоев, имеющих толщины, не требующие прецизионных технологий, и как следствие с менее жесткими требованиями к допускам на точность их изготовления, чем обеспечивается минимальная погрешность частотных параметров избирательности фильтров при их серийном производстве.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ОМСФ, включающем N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления, и оптической толщиной каждого слоя d, он выполнен состоящим из входного оптического трансформатора (Вх.ОТ), избирательной части (ИЧ) и выходного оптического трансформатора (Вых.ОТ). Вх.ОТ, ИЧ и Вых.ОТ состоят соответственно из N_вх=2s, N_ич=4k и N_вых=2r чередующихся слоев, выполненных из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления, где k, s и г - соответствующие целые числа пар слоев, которые вычисляют по формулам

где ν=n_н/n_в, Δf и f₀ - соответственно рабочая полоса пропускания и средняя частота фильтра, а m - целое нечетное число, определяющее номер полосы пропускания фильтра. Показатели преломления примыкающих друг к другу слоев Вх.ОТ и ИЧ, а так же примыкающих друг к другу слоев ИЧ и Вых.ОТ одинаковы. Чередующиеся слои ИЧ выполнены из материалов с показателями преломления зеркально-симметричными относительно центра избирательной части (ИЧ). К первому слою Вх.ОТ и последнему слою Вых.ОТ подключены подложки. Толщина каждого оптического слоя выбрана из условия d=mλ₀/4, где λ₀ - средняя длина волны полосы пропускания фильтра. Число m выбирают в пределах m=3...201.

Значение m выбирают в указанных пределах, так как при m<3 практически невозможно реализовать сформулированную цель, а при m>201 ограничена возможность надежной защиты от влияния со стороны примыкающих полос пропускания.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков достигается возможность построения фильтра с регулярной структурой слоев одинаковой толщины при одновременной возможности реализации требуемых параметров с использованием слоев фильтра относительно большой толщины, чем обеспечивается достижение сформулированного технического результата - создание фильтра более технологичного в серийном производстве.

Проведенный анализ патентных и специальных источников информации позволил установить, что в них отсутствуют аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем существенным признакам заявленного решения, что указывает на соответствие заявленного оптического многослойного фильтра условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях знаний с целью выявления в них отличительных признаков заявленного объекта показали, что они не следуют явным образом из известных источников информации. Также не выявлена известность влияния отличительных существенных признаков на достижение заявленного результата, что указывает на соответствие заявленного объекта условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленный ОМСФ поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общая структура (топология) фильтра;

на фиг.2 - профиль показателей преломления материалов слоев ОМСФ и подложек;

на фиг.3 - частотная зависимость рабочего затухания ОМСФ с характеристикой Чебышева в окрестности средней частоты f₀ заданной полосы пропускания;

на фиг.4 - топологическая структура экспериментального образца ОМСФ при m=1 и толщиной каждого слоя d=d₁=λ₀/4;

на фиг.5 - частотная характеристика затухания по результатам экспериментального расчета ОМСФ при m=1, с характеристикой Чебышева в окрестности средней частоты f₀=450 ТГц заданной полосы пропускания, с граничными частотами f₀₁=440 ТГц и f₀₂=460 ТГц;

на фиг.6 - топологическая структура экспериментального образца заявленного ОМСФ при m=9 и толщиной каждого слоя d=d_m=mλ₀/4.

на фиг.7 - частотная характеристика затухания с характеристикой Чебышева многополосного ОМСФ по результатам экспериментального расчета заявленного фильтра, включающая характеристику затухания в заданной полосе пропускания с граничными частотами f₀₁=445 ТГц и f₀₂=455 ТГц при m=9 в окрестности средней частоты f₀=450_ТГц и характеристику затухания в дополнительной полосе пропускания с граничными частотами f_m1=45 ТГц и f_m2=55 ТГц при m=9 в окрестности средней частоты f_m=50 ТГц.

Из рассмотрения фиг.4, 5, 6 и 7 видно, что реализация топологии многослойного покрытия ОМСФ со средней частотой заданной полосы пропускания, равной f₀, может быть выполнена в двух основных вариантах. По первому варианту многослойное покрытие выполняют из чередующихся слоев толщиной d=d₁=λ₀/4, при этом относительная погрешность толщины напыления слоя составляет δ₁=Δd₁/d₁, где Δd₁ - абсолютная погрешность толщины напыления слоя для значения m=1. По второму варианту многослойное покрытие выполняется из чередующихся слоев толщиной d=d_m=mλ₀/4, при этом относительная погрешность толщины напыления слоя составляет δ_m=Δd_m/d_m для значений m≥3. При выполнении условия равенства относительных погрешностей толщины напыления слоя по первому и второму вариантам выбора толщины слоя абсолютные погрешности будут находиться в зависимости Δd_m=mΔd₁, из которой следует, что допустимое отклонение толщины d_m слоя будет в m раз выше допустимого отклонения толщины d₁ слоя, что и определяет более высокую технологичность второго варианта.

Заявленный ОМСФ, показанный на фиг.1, состоит из Вх.ОТ 1, ИЧ 2, Вых.ОТ 3 и подложек 5, 6. Вх.ОТ 1, ИЧ 2 и Вых.ОТ 3 состоят соответственно из N_вх=2s, N_ич=4k и N_вых=2r чередующихся слоев 7 и 8 соответственно с высоким n_в и низким n_н значениями показателей преломления материалов, из которых они выполнены.

На фиг.1 слои с высоким показателем преломления n_в обозначены символом "в" и заштрихованы, а с низким n_н - символом "н".

Каждый из слоев "в" и "н" имеет толщину d_m, равную m четвертям средней длины волны λ₀ полосы пропускания ОМСФ, т.е. d_m.=m·λ₀/4.

Значения s, k и r, входящие в выражения для N_вх, N_ич и N_вых, вычисляют по формулам (1) и (2). Показатели преломления материалов примыкающих друг к другу слоев Вх.ОТ и ИЧ 2 (сечение а-а' на фиг.1), а также показатели преломления материалов, примыкающих друг к другу слоев ИЧ 2 и Вых.ОТ 3 (сечение b-b'), выбраны одинаковыми. Причем слои ИЧ 2 выполнены из материалов с показателями преломления, зеркально-симметричными относительно центра (сечение с-с') ИЧ 2.

Профиль показателей преломления материалов с высоким "в" - 7 и низким "н" - 8 значениями, из которых выполнены слои ОМСФ толщиной d_m, показан на фиг.2.

Подложки 5 и 6 выполнены из сплошного диэлектрического материала с показателем преломления n₀, значение которого выбрано в промежутке между значениями n_в и n_н, т.е. n_в>n₀>n_н. Подложки 5 и 6 предназначены для согласованного ввода в ОМСФ и вывода из ОМСФ сигнала (оптического луча). Подложки 5 и 6 выполняют роль вспомогательных элементов между собственно ОМСФ и передающими оптическими средами. В качестве подложек 5 и 6 могут быть использованы оптические волокна, стержни, пластины, линзы и т.п.

Первый слой Вх.ОТ 1 "в" 7, примыкающий к подложке 5, выполнен из материала с n_в, т.е. имеет место чередование слоев

"в"→"н"→"в"→...→"н"→"в"→"н".

Такая топология Вх.ОТ 1 может быть обозначена как

где s - количество пар слоев толщиной d_m с n_в и n_н Вх.ОТ 1 ОМСФ.

Аналогично в ИЧ 2 имеет место чередование слоев

"н"→"в"→"н"→...→"в"→"н"→"в"→"в"→"н"→"в"→...→н"→"в"→"н", топология которой может быть обозначена как

где k - число пар слоев толщиной d_m с n_в и n_н половины ИЧ 2 ОМСФ.

Аналогично в Вых.ОТ 3 имеет место чередование слоев

"н"→"в"→"н"→...→"в"→"н"→"в"

топология которого может быть обозначена как

где r - число пар слоев толщиной d_m с n_в и n_н Вых.ОТ 3 ОМСФ.

Таким образом, общую топологию (вн)_Σ заявленного ОМСФ можно представить в виде

Профиль значений показателей преломления ОМСФ, изображенного на фиг.1, включает показатель преломления подложки со стороны входа фильтра n₀, показатели преломления n_в и n_н чередующихся слоев ОМСФ и показатель преломления подложки со стороны выхода фильтра по (фиг.2).

Заявленное устройство работает следующим образом. Оптическое многослойное покрытие в качестве ОМСФ можно проиллюстрировать СВЧ моделями, представляющими собой каскадное (цепочечное) соединение четвертьволновых отрезков линий с чередующейся последовательностью отрезков с высоким и низким значениями волновых сопротивлений, совокупность которых образует цепочечный СВЧ фильтр с заданными частотными характеристиками затухания (Чебышева, Баттерворта, Бесселя и т.п.).

Минимальной оптической фильтрующей единицей является исходное полузвено фильтра в виде двухслойного покрытия из слоев с высоким n_в и низким n_н показателями преломления и толщиной каждого из этих слоев d_m.=m·λ₀/4. Указанное исходное полузвено обладает свойствами как фильтра с периодически повторяющимися с периодом 2f₀/m полосами пропускания и полосами задерживания, так и трансформатора показателей преломления с периодически повторяющимися с периодом 2f₀/m полосами пропускания, при этом каждая ширина полосы пропускания двухслойного фильтра-трансформатора зависит от отношения ν показателей преломления ν=n_н/n_в. Известно (см., например, Б.А.Лапшин. Теория и расчет фильтров и трансформаторов на отрезках передающих линий. СПб.: Наука, 1998, 181 с.), что при ν, стремящемся к единице (ν→1), полоса пропускания увеличивается, а полоса задерживания уменьшается. При ν<<1 полоса пропускания уменьшается, а полоса задерживания увеличивается.

Практически реализуемые ОМСФ являются сверхузкополосными, так как их относительная полоса пропускания Δf/f₀ в оптическом диапазоне составляет порядка (0,01...0,05) %. Для изготовления таких исходных двухслойных сверхузкополосных полузвеньев фильтров (ПЗФ) необходимо, чтобы высокий показатель был порядка 10^4...10⁸, что практически нереализуемо. При этом коэффициент трансформации такого ПЗФ, определяемый обратной величиной ν^пзф, т.е. величиной , будет иметь тот же порядок, т.е. 1/ν^пзф=10^4...10⁸. В то же время практически реализуемые максимальные значения показателей преломления различных материалов, используемых в ОМСФ, не превышают, как правило, величины 4...5. Это условие накладывает ограничения на реализуемость фильтра.

С целью построения сверхузкополосного (высокоизбирательного) ПЗФ с заданными реализуемыми показателями преломления слоев n_в и n_н в заявленном ОМСФ обеспечивается преобразование топологии ПЗФ с очень большим коэффициентом трансформации 1/ν^пзф в топологию каскадного соединения k трансформаторов в ИЧ 2 (вн)^k с одинаковыми реализуемыми коэффициентами трансформации, значение которых определяются как где ν^пзф - отношение показателей преломления низкого n_н и нереализуемого высокого k определяют с помощью формул (1...2). В этом случае каждое новое ПЗФ с уменьшенным коэффициентом трансформации в k раз становится более широкополосным, но за счет сложения избирательности k широкополосных ПЗФ их общая суммарная избирательность будет восстановлена до исходной. На фиг.1 и фиг.2 топология преобразованного ПЗФ представлена топологией половины избирательной части ИЧ 2 ОМСФ, т.е. (нв)^k с номерами слоев от 1 до 2k и топологией зеркальной половины ИЧ 2 ОМСФ (вн)^k с номерами слоев от 2k+1 до N_ич=4k.

В заявленном ОМСФ на фиг.1 и фиг.2 ИЧ 2 выполнена в виде двух зеркально-симметричных преобразованных ПЗФ с топологией (нв)^k(вн)^k. Такое решение обусловлено двумя причинами: во-первых, согласованное соединение двух ПЗФ позволяет получить симметричное звено фильтра (ИЧ 2) с увеличенной в два раза избирательностью; во-вторых, упрощается решение задачи согласования входа и выхода ИЧ 2 с подложками с помощью соответственно Вх.ОТ 1 и Вых.ОТ 3. Вх.ОТ 1 выполнен из s пар чередующихся слоев из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления в топологии (вн)^s. Вых.ОТ 3 выполнен из r пар чередующихся слоев из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления в топологии (нв)^r.

На фиг.3 показана заданная частотная характеристика затухания изображенного на фиг.1 ОМСФ Чебышева с неравномерностью затухания Δа в расчетной полосе пропускания, ограниченной частотами f₀₁ и f₀₂, и гарантированным затуханием a_е в расчетной полосе задерживания с граничными частотами f_e1 и f_e2.

Изготовление заявленного сверхузкополосного оптического многослойного фильтра для ультрафиолетового диапазона длин волн на слоях с увеличенной толщиной можно показать на примере ОМСФ Чебышева.

Пусть необходимо получить полосовой ОМСФ Чебышева со следующими характеристиками (см. фиг.5):

неравномерность затухания Δa=1 дБ в рабочей полосе пропускания с граничными частотами f₀₁=445 ТГц (674,2 нм) и f₀₂=455 ТГц (659,3 нм).

гарантированное затухание a_е=30 дБ в рабочей полосе задерживания с граничными частотами f_e1=435 ТГц (689,6 нм) и f_e2=465 ТГц (645,2 нм).

С учетом значений f₀₁ и f₀₂ имеем f₀=(f₀₁+f₀₂)/2=450 ТГц.

Выбираем m=9, тогда требования к характеристикам заявленного фильтра будут следующими (см. фиг.7):

неравномерность затухания Δa=1 дБ в расчетной полосе пропускания с граничными частотами f_m1=f₀₁/9=45 ТГц (λ_m1=λ₀₁·9=6666,7 нм) и f_m2=55 ТГц (5454,5 нм);

гарантированное затухание а_e=30 дБ в рабочей полосе задерживания с граничными частотами f_em1=35 ТГц (8571,4 нм) и f_em2=65 ТГц (4615,4 нм);

из допустимого набора материалов с различными значениями показателей преломления выбраны и заданы материалы чередующихся слоев с n_н=1,45, n_в=2,068 и материал подложек с n₀=1,52.

Рассчитанные по формулам (1)...(2) числа k, s и r приобретают значения

s=k/2=9;

r=k/2=9.

Тогда общая оптимальная топология заявленного ОМСФ (вн)_Σ может быть представлена в виде (фиг.6):

(вн)_Σ=(вн)⁹(нв)¹⁸(вн)¹⁸(нв)⁹,

Общее количество N слоев многослойного покрытия с толщиной каждого слоя d_m=mλ₀/4=9·450/4=1500 нм составляет N=2·9+4·18+2·9=108 слоев, а общая толщина L_ОМСФ многослойного покрытия L_ОМСФ=N·d_m=162000 нм. Подложки 5 и 6 ОМСФ выполнены из прозрачных стержней с n₀=1,52.

Для сравнения приведем расчет того же фильтра при m=1. Тогда с помощью формул (1)...(4) находим k=18, s=9, r=9. Частотная характеристика полосового ОМСФ Чебышева приведена на фиг.5.

Топология ОМСФ может быть представлена в виде (фиг.4)

(вн)_Σ=(вн)⁹(нв)¹⁸(вн)¹⁸(нв)⁹,

но толщина каждого слоя будет равна d₁=d_m/m=1500/9=166,7 нм, т.е. в 9 раз тоньше и, следовательно, изготовление таких слоев будет менее технологичным при их серийном производстве.

Приведенный пример показывает на возможность построения сверхузкополосных ОМСФ на толстых слоях с требуемыми параметрами Δа и a_е при использовании материалов с реализуемыми значениями n_в и n_н. Также очевидна возможность формирования оптимальной топологии ОМСФ для широкого класса полосовых и заграждающих фильтров. Отмеченное указывает, что при использовании заявленного ОМСФ-m возможно достижение сформулированного технического результата, обеспечение более высокой технологичности фильтра при его серийном производстве.

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к оптическим многослойным фильтрам (ОМСФ), входящим в состав устройств мультиплексирования по длине волны для образования множества спектральных каналов при работе по волоконно-оптическим кабелям связи. Заявленный ОМСФ состоит из входного оптического трансформатора (Вх.ОТ 1), избирательной части (ИЧ 2), выходного оптического трансформатора (Вых.ОТ 3) и подложек 5, 6. Вх.ОТ 1, ИЧ 2 и Вых.ОТ 3 состоят соответственно из N_вх=2s, N_ич=4k и N_вых=2r чередующихся слоев 7 и 8 соответственно с высоким n_В и низким n_Н значениями показателей преломления материалов, из которых они выполнены. Толщина каждого слоя d=0,25λ, где λ - средняя длина волны полосы пропускания ОМСФ. Показатели преломления примыкающих друг к другу слоев Вх.ОТ и ИЧ, а также примыкающих друг к другу слоев ИЧ и Вых.ОТ одинаковы, причем чередующиеся слои ИЧ выполнены из материалов с показателями преломления, зеркально-симметричными относительно центра избирательной части (ИЧ). Первый слой Вх.ОТ и последний слой Вых.ОТ подключены к подложкам. Приведены соотношения для вычисления параметров заявленного ОМСФ произвольного класса. Цель изобретения - обеспечение снижения уровня искажений сигнала до заданной величины для широкого класса частотных характеристик затухания фильтра в заданной полосе пропускания и увеличения затухания в полосе задерживания до заданной величины, что обусловит расширение области возможного использования ОМСФ. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Оптический многослойный фильтр, состоящий из N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления и оптической толщиной каждого слоя d, отличающийся тем, что оптический многослойный фильтр выполнен состоящим из входного оптического трансформатора, избирательной части и выходного оптического трансформатора, состоящих соответственно из N_вх=2·s, N_ИЧ=4·k и N_вых=2·r чередующихся слоев, выполненных из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления, где s, k и r соответствующие числа пар слоев, которые вычисляют по формулам

s=r=k/2,

k=lgq/lgv,

где ν=n_н/n_в, Δf и f₀ - соответственно полоса пропускания и средняя частота фильтра, a m - целое нечетное число, определяющее номер полосы пропускания фильтра, показатели преломления примыкающих друг к другу слоев входного оптического трансформатора и избирательной части, а также примыкающих друг к другу слоев избирательной части и выходного оптического трансформатора одинаковы, а чередующиеся слои избирательной части выполнены из материалов с показателями преломления, зеркально-симметричными относительно центра избирательной части, причем к первому слою входного оптического трансформатора и последнему слою выходного оптического трансформатора подключены подложки, а толщина каждого оптического слоя выбрана из условия d=m·λ₀/4, где λ₀ - средняя длина волны полосы пропускания фильтра.