JP2004069865A

JP2004069865A - 多層膜光フィルタ及びその製造方法とそれを用いる光学部品

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Publication number: JP2004069865A
Application number: JP2002226661A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Umeda; 梅田　裕一; Hitoshi Kitagawa; 北川　均
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】基板内の多重反射による干渉の影響を抑え、基板を光軸に対してほぼ垂直に配置した場合でも干渉が発生しにくい多層膜光フィルタを実現する。
【解決手段】基板１上に屈折率の異なる複数の誘電体材料の薄膜が繰り返し積層された多層膜光フィルタ層５からなる多層膜光フィルタ２０において、基板１の両主表面に、基板間の多重反射を抑制する反射防止層４を設けた。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の波長の光を透過あるいは反射させ、バンドパスフィルタ、利得平坦化フィルタ等として用いられる、多層膜光フィルタ及びその製造方法とそれを用いる光学部品に関するものである。より詳しくは、基板の多重反射を抑制し、基板を光軸に対してほぼ垂直に配置した場合でも干渉が発生しない、多層膜光フィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多層膜光フィルタは、積層された膜のそれぞれの界面での光の干渉現象を利用して、対象とする光の波長範囲において所望の透過、あるいは反射の特性を得ようとするものである。図５に、一般的に用いられている多層膜光フィルタ１０の例として、高屈折率層１２として酸化タンタル（以下Ｔａ_２Ｏ_５と記載）層を、低屈折率層１３として酸化珪素（以下ＳｉＯ_２と記載）層を用いた例を示す。それぞれの層を、数十層から１００層程度、ガラス基板１の上に交互に積層して構成されている。
【０００３】
各層の膜厚は、透過あるいは反射の対象とする光の波長λに対して、光学厚みがλ／４となる厚みを中心に設計されている。ここで光学厚みとは、屈折率と物理的厚み（実際の膜厚）の積で定義される値である。例えば光通信用途の波長１．５５μｍの光を対象とする場合、実際の膜厚は、Ｔａ_２Ｏ_５層が０．１８μｍの層を主体に０．０５〜１．０μｍの範囲に、ＳｉＯ_２層は０．２６μｍの層を主体に０．０８〜１．５μｍの範囲に分布させるものが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような多膜光フィルタ１０にあっては、ガラス基板１の多層膜光フィルタ層を設置した反対側の表面に反射防止コート層１４（ＡＲコート）を設け、基板裏面における反射光の影響を防いでいる。これは、基板をほぼ垂直に配置した際、基板内の多重反射による干渉でフィルタの分光特性に影響が出ることをある程度抑止するものである。しかしながら、従来の技術においてはＡＲコートが多層膜光フィルタの形成される基板の裏面にのみ限定されるため、基板の多重反射は基板両面のそれぞれの反射率の積に関係しているので、フィルタ面の反射率が低い波長領域では干渉による影響が大きくなり、基板内の多重反射による干渉の影響を完全に抑えることができず、基板を光軸に対してほぼ垂直に配置した場合干渉が発生しやすいという問題点があった。
【０００５】
また上記のような高精度の膜厚制御を要求される多層膜光フィルタは、光学的な膜厚測定システムを用いて、成膜中の膜厚を測定、監視しながら成膜する方法がとられている。これは成膜された各層を透過した後、基板を透過して測定器に入射してくる光量により膜厚を測定するものであるが、本来必要な各層からの透過光の他に、基板表面で一部の光が反射され、基板内を透過してくる光と干渉して透過光量が変化するため、成膜中の光学モニターの動作に影響を与えるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために、前記基板と該多層膜光フィルタ層を構成する層群の間および該多層膜光フィルタ層の形成された基板の裏側の面に、反射防止の機能を有する反射防止コート層を備えることにより、基板内の反射を抑制した多層膜光フィルタを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板と、該基板の一主表面に接して設けられた反射防止機能を有する第１の反射防止コート層と、該反射防止コート層の表面に接して設けられた屈折率の互いに異なる複数の誘電体材料の薄膜が繰り返し積層された多層膜光フィルタ層と、前記基板の前記主表面と反対側の主表面に接して設けられた第２の反射防止コート層とからなることを特徴とする多層膜光フィルタである。
かかる構成によれば、反射防止コート層が基板に接した両面に設けられるので、多重反射による干渉の影響を極限まで小さくすることができ、高性能のフィルタを得ることが可能となる。
本発明の前記第１の反射防止コート層は屈折率が互いに異なる少なくとも２種類以上の誘電体材料層が繰り返し積層された構成を有することが好ましい。反射防止コート層用に特別の材料を用いることなく、通常の光フィルタ製造装置により、その製造条件を若干変えるだけで作ることができる。
【０００８】
本発明の前記第１の反射防止コート層及び前記多層膜光フィルタ層は共に、同じ２種類の誘電体材料からなり、一方が高屈折率層、他方が低屈折率層を形成してそれぞれの層が交互に積層されることが好ましい。２種類の誘電体材料を用いた場合においても、適切な膜厚と層数を選択することにより、所望の性能を有する反射防止コート層及び多層膜光フィルタ層を得ることができる。
本発明は前記高屈折率層の材料が酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）または酸化チタン（ＴｉＯ_２）のどちらか一方であり、前記低屈折率層の材料が酸化珪素（ＳｉＯ_２）であることが好ましい。これらの材料は薄膜の層としての物性が安定しており、構成材料として適当である。
【０００９】
本発明は基板の一主表面に、屈折率の互いに異なる２種類の誘電体材料の薄膜を交互に積層して前記第１の反射防止コート層を形成する第１の工程と、該反射防止コート層の上面に、屈折率の互いに異なる２種類の誘電体材料の薄膜を交互に積層し多層膜光フィルタ層を積層する第２の工程と、前記基板の前記主表面と反対側の主表面に前記第２の反射防止コート層を形成する第３の工程とからなり、前記第２の工程は前記第１の工程に引き続いて行われることを特徴とする、多層膜光フィルタの製造方法である。
この製造方法によれば、光学モニタによる膜厚測定を行いながら連続して成膜を行うことができ、高精度に膜厚制御された高性能の特性の多層膜光フィルタを得ることが容易になる。またこの方法によれば、第１の工程から第２の工程へ移る際に、被加工物を成膜装置から取り外す必要がないので、大気暴露による酸化を防ぐことができるばかりでなく、被加工物の治工具への取り付け精度のバラツキによる成膜精度への影響も発生しないので、より高性能の多層膜光フィルタを得ることができ、また製造時間の短縮を図ることもできる。
【００１０】
また本発明の多層膜光フィルタを構成要素とすることを特徴とする光学部品は、基板を光軸に対してほぼ垂直に配置した場合でも、基板裏面における反射による透過率の少ない多層膜光フィルタを用いるので干渉が発生せず、多層膜光フィルタ部品としての性能が安定する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明すれば、以下の通りである。
〔第１の実施形態〕図１は、本発明の第１の実施形態である多層膜光フィルタ２０の膜構成を示すもので、波長１．５５μｍの光を対象とした光通信用の利得平坦化フィルタとして設計、製造したものである。
【００１２】
厚さ６ｍｍのガラス基板１に接する最下層に、本発明に係わる、屈折率の異なる２層（低屈折率層３と高屈折率層２）を各２層、計４層を積層して反射防止コート層４が設けられている。反射防止コート層４上に、屈折率の異なる２層（低屈折率層３と高屈折率層２）を各３５層、計７０層を積層して、多層膜光フィルタ層５を構成している。ここで高屈折率層２にはＴａ_２Ｏ_５（屈折率２．０５）を、低屈折率層３にはＳｉＯ_２（屈折率１．４６）を採用している。反射防止コート層４の材料は高屈折率層２と同じＴａ_２Ｏ_５と、低屈折率層３と同じＳｉＯ_２を採用している。
【００１３】
本実施の形態の多層膜光フィルタ２０は、イオンビームスパッタ（ＩＢＳ）により各薄膜層を形成した。真空チャンバ内にタンタル（Ｔａ）とシリコン（Ｓｉ）、２個のターゲットを置き、反応ガスとして酸素を供給して、それぞれの酸化物の薄膜を基板１上に設けられた反射防止層４上に堆積させる。成膜装置には膜厚の測定手段を配置して成膜中の膜厚を監視する。ターゲットのどちらか一方を選択して成膜を行い、所定の膜厚になった時点で他方のターゲットに切り換える。この作業を所定回数繰り返して目的とする多層膜光フィルタ２０が得られる。
【００１４】
反射防止膜は、屈折率の異なる薄膜、高屈折率層２にはＴａ_２Ｏ_５（屈折率２．０５）を、低屈折率層３にはＳｉＯ_２（屈折率１．４６）を反射防止として機能する所定の膜厚（０．１〜０．５μｍ）で交互に２層づつ、計４層積層することにより、表面反射率を低く抑えようとするものである。本発明では、多層膜光フィルタ層と同一の薄膜を用いて、反射防止層を形成することにより、従来は別工程で形成されていた反射防止層を多層膜光フィルタ層形成と同じ工程にて形成できる。
【００１５】
本実施例では、ＡＲコートを構成する積層数は４層であることを示したが、４層に限らず形成することができる。またＡＲコート層と多層膜光フィルタ層群との間が、層構成の関係から高屈折率層、低屈折率層の交互の順序にならない場合、交互の順序の関係を満たすように高屈折率層もしくは低屈折率層のバッファ層を設けてもよい。また高屈折率層の材料は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）など、別の材質であってもよい。
裏面に設置されるＡＲコート層４’の形成は、多層膜光フィルタ層を形成する前に行ってもよく、また多層膜光フィルタ層を形成した後に行ってもよい。
また図１では、光多層膜光フィルタ層側に設置したＡＲコートと同一材質であることを示したが、効果がある場合には材質が異なってもよい。
【００１６】
図２は本発明におけるＡＲコートの設置位置による基板内反射光の強度を示す模式図である。入射光は、基板に対しほぼ垂直に入射し、基板の両表面で反射する。ＡＲコートを設置していない面での反射率は通常約４％である。また本発明の４層積層によるＡＲコートの反射率は約０．０２％を代表値とし、０．０１％から０．１％に調整される。本実施例では０．１％とした。なお図示した光の進行方向の矢印やその太さについては、説明のために用いたものであり、光の強度や反射方向を直接表すものではない。
【００１７】
図２（Ａ）は基板に多層膜光フィルタ層を設け、ＡＲコートを設置しない場合である。多層膜膜光フィルタ層を設置した基板の反対側から入射した入射光は、基板表面で入射光の約４％が反射される。さらに基板中を通過した入射光は、基板１と多層膜膜光フィルタ層５との界面でやはり同様に約４％反射される。前記界面を通過した入射光は多層膜膜光フィルタ層５を通過し所定の特性の透過光となる。基板１と多層膜膜光フィルタ層５との界面で反射した光は基板中を入射光と反対の方向に進み、基板表面より出るが、約４％はさらに基板表面で反射し基板中を進む。このとき反射光の強度は、入射光の約０．１６％となる。このように、基板の両表面で減衰しながら反射光が基板中を反射しつづける。
【００１８】
図２（Ｂ）は基板１に多層膜膜光フィルタ層５を設け、多層膜膜光フィルタ層を設置しない基板表面にＡＲコート４を設置した場合である。多層膜膜光フィルタ層を設置した基板の反対側から入射した入射光は、基板表面のＡＲコート４により入射光の約０．１％が反射される。さらに基板中を通過した入射光は、基板１と多層膜膜光フィルタ層５との界面で約４％反射される。前記界面を通過した入射光は多層膜膜光フィルタ層５を通過し所定の特性の透過光となる。基板１と多層膜膜光フィルタ層５との界面で反射した光は基板中を入射光と反対の方向に進み、基板表面より出るが、約０．１％はさらに基板表面のＡＲコート４で反射し基板中を進む。このとき反射光の強度は、入射光の約０．００４％となる。このように、基板の両表面で減衰しながら反射光が基板中を反射しつづける。
【００１９】
図２（Ｃ）は基板１にＡＲコート４を設置し、このＡＲコート４上に多層膜膜光フィルタ層５を設けた場合である。多層膜膜光フィルタ層５を設置した基板の反対側から入射した入射光の約４％は基板表面で反射される。さらに基板中を通過した入射光は、基板１と多層膜膜光フィルタ層５との間に存在するＡＲコート４により約０．１％反射される。前記ＡＲコート４を通過した入射光は多層膜膜光フィルタ層５を通過し所定の特性の透過光となる。ＡＲコートで反射した光は基板中を入射光と反対の方向に進み、基板表面より出るが、約４％はさらに基板表面で反射し基板中を進む。このとき反射光の強度は、入射光の約０．００４％となる。このように、基板の両表面で減衰しながら反射光が基板中を反射しつづける。
【００２０】
図２（ｄ）は基板１の両面にＡＲコート４を設置し多層膜膜光フィルタ層５を設けた場合である。多層膜膜光フィルタ層５を設置した基板の反対側から入射した入射光は、基板表面のＡＲコート４により入射光の約０．１％が反射される。さらに基板中を通過した入射光は、基板１と多層膜膜光フィルタ層５との間に存在するＡＲコート４により約０．１％反射される。前記ＡＲコート４を通過した入射光は多層膜膜光フィルタ層５を通過し所定の特性の透過光となる。基板１と多層膜膜光フィルタ層５との間に存在するＡＲコート４で反射した光は基板中を入射光と反対の方向に進み、基板表面より出るが、約０．１％はさらに基板表面のＡＲコート４で反射し基板中を進む。このとき反射光の強度は、入射光の約０．０００１％となる。このように、基板の両表面で減衰しながら反射光が基板中を反射しつづける。
【００２１】
上記で示す通り、基板表面に設置されたＡＲコートにより基板中を多重反射する光を減衰させる効果は、ＡＲコートを基板両面に設置した場合が最も優れ、基板片面に設置されたＡＲコートの効果は多層膜膜光フィルタ層を設置した側及び多層膜膜光フィルタ層を設置した側の反対側ともにほぼ等しい減衰の効果であるが、両面に設置した場合と比べるとはるかに及ばない。またＡＲコートを設置しない場合光を減衰させる効果はさらに小さいものとなる。
【００２２】
ＡＲコート層が、基板の両面に形成される本発明においては、多層膜光フィルタの基板内の多重反射を極限まで抑制し、干渉を低減させるので、フィルタの分光特性に影響を与えていた基板内多重反射の影響を無視できるまでに性能を向上させることができる。これにより高性能光多層膜フィルタを光軸に対してほぼ垂直に配置した場合でも干渉が発生しない多層膜光フィルタが実現できる。また基板内多重反射を抑制することにより、多層膜光フィルタの製造においても光モニタリングによる膜厚測定の精度を向上させることが可能となるため、より高精度の光多層膜フィルタ層の形成が可能となる。
【００２３】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、上記の製造方法における、途中の工程での膜構成を示す断面である。図３（Ａ）は、予め基板の裏面にＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とからなる反射防止コート層４’を設けておき、第１の工程であるＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とからなる反射防止コート層４の成膜が終了した段階を示している。図３（Ｂ）は、第２の工程である、屈折率の異なる２層（低屈折率層３と高屈折率層２）を繰り返し積層する工程の、最初の２層が成膜された段階を示す。以後同様の条件で低屈折率層３と高屈折率層２を交互に積層し、最終的に図１の構成となる。
【００２４】
〔第２の実施形態〕図４は、本発明の多層膜光フィルタ２０を用いた光学部品の例として、光ファイバ３２、レンズ３１と組み合わせて光フィルタモジュール３０を構成した例を示す。フィルタの配置は従来例と全く同様に行うことができる。
これによれば、基板を光軸に対してほぼ垂直に配置した場合でも、基板裏面における反射による透過率の少ない多層膜光フィルタを用いるので干渉が発生せず、多層膜光フィルタ部品としての性能が安定する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多層膜光フィルタ２０は、基板と、該基板の一主表面に接して設けられた反射防止機能を有する第１の反射防止コート層と、該反射防止コート層の表面に接して設けられた屈折率の互いに異なる複数の誘電体材料の薄膜が繰り返し積層された多層膜光フィルタ層と、前記基板の他の主表面に接して設けられた第２の反射防止コート層とからなることを特徴とする多層膜光フィルタである。
かかる構成によれば、反射防止コート層を基板両面に接して設けることが可能となるので、多重反射による干渉の影響を極限まで小さくすることができ、高性能の光フィルタを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の多層膜光フィルタの、膜構成を示す図である。
【図２】本発明におけるＡＲコートの設置位置による基板内反射光の強度を示す模式図である。
【図３】本発明の多層膜光フィルタの製造方法を示す工程断面図である。
【図４】本発明の実施形態の多層膜光フィルタを用いた光フィルタモジュールの、構成を示す図である。
【図５】従来例の多層膜光フィルタの膜構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　基板
２、１２　高屈折率層
３、１３　低屈折率層
４、４’、１４　反射防止コート層　（ＡＲコート）
５　　多層膜光フィルタ層
１０　従来例の多層膜光フィルタ
２０　本発明の多層膜光フィルタ
３０　光フィルタモジュール
３１　レンズ
３２　光ファイバ

Claims

基板と、該基板の一主表面に接して設けられた反射防止機能を有する第１の反射防止コート層と、該反射防止コート層の表面に接して設けられた屈折率の互いに異なる複数の誘電体材料の薄膜が繰り返し積層された多層膜光フィルタ層と、前記基板の前記主表面と反対側の主表面に接して設けられた第２の反射防止コート層とからなることを特徴とする多層膜光フィルタ。
前記第１の反射防止コート層は屈折率が互いに異なる少なくとも２種類以上の誘電体材料層が繰り返し積層された構成を有することを特徴とする請求項１記載の多層膜光フィルタ。
前記第１の反射防止コート層及び前記多層膜光フィルタ層は共に、同じ２種類の誘電体材料からなり、一方が高屈折率層、他方が低屈折率層を形成してそれぞれの層が交互に積層されたことを特徴とする、請求項２記載の多層膜光フィルタ。
前記高屈折率層の材料が酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）または酸化チタン（ＴｉＯ_２）のどちらか一方であり、前記低屈折率層の材料が酸化珪素（ＳｉＯ_２）であることを特徴とする請求項３記載の多層膜光フィルタ。
基板の一主表面に、屈折率の互いに異なる２種類の誘電体材料の薄膜を交互に積層して前記第１の反射防止コート層を形成する第１の工程と、該反射防止コート層の上面に、屈折率の互いに異なる２種類の誘電体材料の薄膜を交互に積層し多層膜光フィルタ層を積層する第２の工程と、前記基板の前記主表面と反対側の主表面に前記第２の反射防止コート層を形成する第３の工程とからなり、前記第２の工程は前記第１の工程に引き続いて行われることを特徴とする、多層膜光フィルタの製造方法。
請求項１乃至４記載の多層膜光フィルタを構成要素とすることを特徴とする光学部品。