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 трехрезонаторный 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]. Трехрезонаторный фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления. В нем все слои с высоким показателем преломления (n_H) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (n_L) выполнены из второго материала. Три диэлектрических слоя фильтра имеют электрическую (т.е. фазовую) толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные диэлектрические слои имеют электрическую толщину π/2. Они образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы друг от друга (внутренние зеркала) и от внешнего пространства (наружные зеркала). Количество слоев в наружных и внутренних зеркалах определяется предложенными математическими формулами, описывающими зависимость только от двух величин - от отношения показателей преломления двух используемых материалов и от относительной ширины полосы пропускания фильтра.

Недостатком известного трехрезонаторного фильтра 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, 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.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является многорезонаторный фильтр [Прототип: P. Baumeister. Application of microwave technology to design an optical multilayer bandpass filter // Applied Optics. 2003. Vol.42, №13, p.2407-2414, Fig.7]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления, нанесенные на одну сторону стеклянной подложки. В нем все слои с высоким показателем преломления (n_H) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (n_L) выполнены из второго материала. Часть слоев с низким показателем преломления (n_L) имеют электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, стеклянной подложки или внешнего пространства. В каждом зеркале электрическая толщина всех слоев, за исключением трех слоев, расположенных один за другим, равна π/2.

Недостатком многорезонаторного фильтра является то, что он может быть реализован не для любых требуемых значений ширины полосы пропускания и не для любых требуемых значений неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе. Этот недостаток связан с тем, что отклонение электрической толщины от π/2 только для трех слоев в каждом многослойном зеркале не всегда бывает достаточным для того, чтобы фильтр имел требуемые параметры полосы пропускания.

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе, что расширяет область применения многослойного полосно-пропускающего фильтра.

Технический результат достигается тем, что в оптическом многослойном полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления n_H и низким показателем преломления n_L, в которых часть слоев с низким показателем преломления n_L является резонаторами, имеющими электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания, а все остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, диэлектрической подложки или внешнего пространства. В каждом i-ом зеркале электрическая (т.е. фазовая) толщина θ_Li слоев с показателем преломления n_L меньше π/2, а электрическая толщина θ_Hi слоев с показателем преломления n_H превышает π/2 на Δθ_Hi и 2Δθ_Hi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θ_Li и Δθ_Hi удовлетворяют уравнению .

Заявляемый оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр отличается от прототипа тем, что в каждом i-ом зеркале электрическая толщина θ_Li слоев с показателем преломления n_L меньше π/2, а электрическая толщина θ_Hi слоев с показателем преломления n_H превышает π/2 на Δθ_Hi и 2Δθ_Hi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θ_Li и Δθ_Hi удовлетворяют уравнению

.

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.

На фиг.1 изображена конструкция фильтра. Здесь R - однослойные резонаторы, M₁, М₂, М₃, $$M_1^{\text{'}}$$ - многослойные зеркала, А - воздушная окружающая среда, G - стеклянная подложка.

На фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) для приведенного примера фильтра. Сплошная линия изображает зависимость коэффициента прохождения света S₂₁, а штриховая линия - зависимость коэффициента отражения S₁₁ (S_ij - элементы матрицы рассеяния). Значения обоих коэффициентов выражены в децибелах, текущая частота f нормирована на центральную частоту полосы пропускания f₀.

В табл.I приведены электрические толщины тонкопленочных слоев в зеркалах фильтра.

Пример осуществления изобретения.

Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр выполнен из двух диэлектрических материалов: рутила (TiO₂) с показателем преломления n_H=2.39 и кварца (SiO₂) с показателем преломления n_L=1.46. Тонкопленочные диэлектрические слои нанесены на подложку из стекла (BK7) с показателем преломления n_G=1.517. Конструкция фильтра показана на фиг.1. Фильтр содержит всего 67 тонкопленочных слоев. Из них 5 слоев являются резонаторами. Они выполнены из материала с показателем преломления n_L и имеют электрическую толщину π. На фиг.1 резонаторы обозначены букой R. Средами, окружающими фильтр, являются воздух (слева) и стеклянная подложка (справа). Они обозначены буквами А и G, соответственно. Остальные 62 тонкопленочных слоя образуют 6 многослойных диэлектрических зеркал, обозначенных как М₁, М₂, М₃ и $$M_1^{\text{'}}$$ . Крайние зеркала М₁ и $$M_1^{\text{'}}$$ содержат по 5 слоев. Остальные зеркала, то есть М₂ и М₃, содержат по 13 слоев. Значения электрических толщин слоев в зеркалах фильтра с относительной шириной полосы пропускания 2% и величиной неравномерности частотной характеристики в полосе пропускания, характеризуемой уровнем максимального отражения S_{11 max}=-15 дБ, приведены в Таблице I. Все эти значения удовлетворяют единому для всех зеркал условию

Достижение технического результата, а именно возможности реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания (в данном примере это 2%) при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе (в данном примере это S_{11 max}=-15 дБ) подтверждается амплитудно-частотной характеристикой на фиг.2, рассчитанной для параметров слоистой структуры, представленных в Таблице I.

Приведенный пример осуществления изобретения отличается от известных конструкций фильтров тем, что в каждом i-ом зеркале электрическая толщина θ_Li слоев с показателем преломления n_L меньше π/2, а электрическая толщина θ_Hi слоев с показателем преломления n_H превышает π/2 на Δθ_Hi и 2Δθ_Hi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θ_Li и Δθ_Hi удовлетворяют уравнению (1).

Фильтр работает следующим образом. На центральной частоте полосы пропускания f₀ каждое многослойное зеркало M_i эквивалентно другому многослойному зеркалу с четвертьволновыми слоями. Слои этого эквивалентного зеркала имеют показатели преломления n_H и n_i (n_H>n_i>n_L). Такие многослойные зеркала не возмущают резонансные частоты резонаторов в фильтре, что существенно упрощает конструирование многослойных фильтров. Поэтому конструирование фильтра сводится только к нахождению оптимальных значений n_i.

Эквивалентность сопоставляемых многослойных зеркал означает равенство отвечающих им ABCD-матриц (т.е. характеристических матриц). В частности, равенство диагональных элементов ABCD-матриц дает уравнение (1). Оно выражает требование, чтобы все слои эквивалентного зеркала имели электрическую толщину π/2.

Таким образом, преимуществом заявляемого оптического многослойного фильтра является то, что в нем при использовании всего двух материалов с неодинаковыми показателями преломления имеется возможность плавной перестройки как ширины его полосы пропускания, так и величины неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе.

Фильтр может быть использован в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света. Фильтр содержит диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления n_H и низким показателем преломления n_L. Часть слоев из материала с показателем преломления n_L является резонаторами, имеющими электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Все остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, диэлектрической подложки или внешнего пространства. В каждом i-ом зеркале электрическая толщина θ_Li слоев с показателем преломления n_L меньше π/2, а электрическая толщина θ_Hi слоев с показателем преломления n_H превышает π/2 на Δθ_Hi и 2Δθ_Hi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θ_Li и Δθ_Hi удовлетворяют уравнению . Технический результат - обеспечение практически любой требуемой ширины полосы пропускания при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе. 2 ил., 1 табл.

Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления n_H и низким показателем преломления n_L, в которых часть слоев из материала с показателем преломления n_L является резонаторами, имеющими электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания, а все остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, диэлектрической подложки или внешнего пространства, отличающийся тем, что в каждом i-ом зеркале электрическая толщина θ_Li слоев с показателем преломления n_L меньше π/2, а электрическая толщина θ_Hi слоев с показателем преломления n_H превышает π/2 на Δθ_Hi и 2Δθ_Hi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θ_Li и Δθ_Hi удовлетворяют уравнению .