ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР Российский патент 2015 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к волоконно-оптической технике и может быть использовано в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света.

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_в) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (n_н) 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). Другим недостатком описанного аналога является принципиальная невозможность реализации фильтра с точно заданной шириной полосы пропускания света и точно заданной неравномерностью коэффициента прохождения в этой полосе, так как числа слоев в наружных и внутренних зеркалах фильтра, определяющих эти характеристики, не может быть дробным.

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_в=2.35) и низким (n_н=1.35) показателями преломления, расположенные между двумя стеклянными пластинами (n_с=1.52). Все резонансные слои выполнены из материала с высоким показателем преломлений (n_с), 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, расположенные снаружи от резонансных слоев, имеют меньшее число слоев, чем внутренние зеркала. Они также одинаковы.

Недостатком многорезонаторного фильтра является его низкая селективность, выражающаяся в большой неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания. Она связана с тем, что нельзя точно обеспечить требуемую величину отражательной способности каждого из зеркал для выравнивания этой неравномерности. Кроме того, фильтр при большом числе резонаторов имеет высокие потери в полосе пропускания из-за конечной величины диэлектрической добротности материала, используемого в резонансных полуволновых слоях.

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. Для уменьшения же потерь в полосе пропускания фильтра требуется, чтобы резонансные слои были выполнены из материала с высокой добротностью.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания фильтра. Техническим результатом также является уменьшение потерь в полосе пропускания фильтра.

Технический результат достигается тем, что в оптическом многослойном полосно-пропускающем фильтре симметричной конструкции с чередующимися диэлектрическими слоями с высоким и низким показателем преломления, образующими систему однослойных резонаторов, разделенных один от другого и от окружающего пространства прилегающими многослойными зеркалами, в которой диэлектрический слой каждого резонатора имеет оптическую толщину λ/2, каждый диэлектрический слой в каждом многослойном зеркале имеет оптическую толщину λ/4, новым является то, что диэлектрические слои в зеркалах выполнены, по меньшей мере, из трех материалов с неодинаковыми показателями преломления и отражательная способность зеркал убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции.

Заявляемый оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр отличается от прототипа тем, что (а) диэлектрические слои в зеркалах выполнены, по меньшей мере, из трех материалов с неодинаковыми показателями преломления и (б) отражательная способность зеркал убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции. Кроме того, резонансные слои являются воздушными.

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.

На фиг.1 изображен пример выполнения заявляемого оптического многослойного полосно-пропускающего фильтра. Резонансные слои помечены штриховкой, в зеркалах слои с высоким показателем преломления выделены серой заливкой. Числа указывают показатели преломления слоев.

На фиг.2 представлена частотная характеристика фильтра, конструкция которого показана на фиг.1. Сплошной линией изображена зависимость коэффициента прохождения света S₂₁, а пунктирной линией - коэффициента отражения S₁₁ (S_ij - компоненты матрицы рассеяния фильтра). Значения обоих коэффициентов выражены в децибелах, текущая частота ƒ нормирована на центральную частоту полосы пропускания ƒ₀.

На фиг.3 сравниваются частотные зависимости коэффициента прохождения света S₂₁ для заявляемого фильтра (сплошная линия) и (пунктирная линия) для фильтра, в зеркалах которого все слои с низким показателем преломления выполнены из одного материала (n=1.25).

Примером осуществления изобретения является оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр, показанный на фиг.1. Он симметричен относительно центральной плоскости и содержит 31 диэлектрический слой. В фильтре каждый слой с высоким показателем преломления n_в (выделен серой заливкой) чередуется со слоем с низким показателем преломления n_н. Все слои с высоким показателем преломления n_в выполнены из одного материала (n_в=4.0). Из всех слоев фильтра только 5 слоев (выделены штриховкой) имеют оптическую толщину λ/2. Они являются резонаторами фильтра. Все остальные слои имеют оптическую толщину λ/4. Они образуют 6 многослойных зеркал, между которыми расположены резонансные слои. Каждый из двух наружных зеркал имеет по 3 диэлектрических слоя, а каждый из четырех внутренних зеркал имеет по 5 слоев.

Этот пример отличается от известных конструкций фильтров тем, что в многослойных зеркалах этого фильтра величина показателя преломления n_н четвертьволновых диэлектрических слоев с низким показателем преломления монотонно растет от центра конструкции к ее краям (n_н=1.1211, 1.403, 2.924), что обеспечивает уменьшение отражательной способности зеркал по мере их отдаленности от центра конструкции. Кроме того, все полуволновые (резонансные) слои являются воздушными (n=1). Поэтому в них отсутствуют диэлектрические потери.

В этом примере фильтр изготавливается из пластины германия (Ge), имеющего n_в=4.0. В нем поперек германиевой пластины выполняются параллельные плоские прорези полуволновой и четвертьволновой толщины и глубиною не менее диаметра фильтруемого луча света, отстоящие одна от другой на четверть длины волны, с помощью электронной литографии и сухого травления в индуктивно-связанной плазме. Полуволновые прорези оставляют воздушными, а четвертьволновые - заливают 1,1-дифторэтаном (C₂H₄F₂), паральдегидом (C₆H₁₂О₃) и заполняют кристаллическим таллий-ванадиевым сульфидом (Тl₃VS₄), имеющих значения показателей преломления, соответственно, n_н=1.211, 1.403, 2.924. Таким образом, фильтр представляет собой многокамерную германиевую кювету, часть камер которой остается пустой, а другая часть залита жидкими диэлектриками или заполнена твердыми диэлектриками.

Достижение технического результата, а именно уменьшение неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания, подтверждается частотной характеристикой, представленной на фиг.2. Относительная ширина полосы пропускания по уровню - 3 дБ составляет 2%. Все максимумы отражения в полосе пропускания имеют высоту - 15 дБ. Неравномерность коэффициента прохождения света S₂₁ в полосе пропускания (глубина минимумов между максимумами) составляет ΔS₂₁=0.14 дБ.

Графики на фиг.3 показывают, как сильно ухудшается частотная зависимость коэффициента прохождения света S₂₁(ƒ) в предлагаемом примере выполнения фильтра, если в нем в четвертьволновых слоях все материалы с неодинаковыми низкими показателями преломления (n_н=1.211, 1.403, 2.924) заменить одним материалом (n_н=1.25), то есть использовать два материала в зеркалах как в прототипе. Значение показателя преломления этого материала (n_н=1.25) подобрано таким, чтобы ширина области, показанной стрелкой на фиг.3, осталась неизменной.

Фильтр работает следующим образом. Четвертьволновые чередующиеся слои с высоким и низким показателем преломления формируют полосу заграждения. Свет в полосе заграждения испытывает сильное отражение. Напротив, полуволновые слои, являясь резонансными, способны передавать друг другу или в окружающее пространство свою энергию в узкой резонансной полосе частот. Взаимодействие нескольких полуволновых слоев приводит к появлению в них связанных колебаний, число которых равно числу резонаторов. На резонансных частотах связанных колебаний формируются максимумы прохождения света. Глубина минимумов прохождения света, расположенных между максимумами, сильно зависит от отражательной способности каждого из зеркал в фильтре. Для выравнивания глубины всех минимумов прохождения при заданной их величине 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 растет с уменьшением глубины минимумов коэффициента прохождения. Грубая подстройка отражательной способности зеркал осуществляется подбором числа слоев в зеркале, а тонкая подстройка - подбором контраста показателей преломления n_в/n_н соприкасающихся слоев в зеркале.

Таким образом, преимуществом заявляемого оптического многослойного фильтра является то, что в нем, благодаря использованию не менее трех материалов с неодинаковыми коэффициентами преломления, величина неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания может быть сделана сколь угодно малой. Другим преимуществом является малая величина затухания проходящего света в полосе пропускания, достигаемая благодаря использованию высокодобротных воздушных резонансных слоев.

Фильтр может быть использован в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света. Фильтр содержит симметричную конструкцию из чередующихся диэлектрических слоев с высоким и низким показателем преломления, образующую систему однослойных резонаторов, разделенных один от другого и от окружающего пространства прилегающими многослойными зеркалами. Диэлектрический слой каждого резонатора имеет оптическую толщину λ/2, каждый диэлектрический слой в каждом многослойном зеркале имеет оптическую толщину λ/4, где λ - длина волны на центральной частоте полосы пропускания. Диэлектрические слои в зеркалах выполнены, по меньшей мере, из трех материалов с неодинаковыми показателями преломления и отражательная способность зеркал убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции. Техническим результатом изобретения является уменьшение неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания фильтра, а также уменьшение потерь. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр, включающий симметричную конструкцию из чередующихся диэлектрических слоев с высоким и низким показателем преломления, образующую систему однослойных резонаторов, разделенных один от другого и от окружающего пространства прилегающими многослойными зеркалами, в которой диэлектрический слой каждого резонатора имеет оптическую толщину λ/2, каждый диэлектрический слой в каждом многослойном зеркале имеет оптическую толщину λ/4, где λ - длина волны на центральной частоте полосы пропускания, отличающийся тем, что диэлектрические слои в зеркалах выполнены, по меньшей мере, из трех материалов с неодинаковыми показателями преломления и отражательная способность зеркал убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции.

2. Оптический многослойным полосно-пропускающий фильтр по п.1, отличающийся тем, что резонансные слои являются воздушными.