一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片的制作方法

本实用新型涉及一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片，以用于可见光至近红外光波段获得极高信噪比的信号，特别是用于光通讯波段、激光 1060nm和半导体固体光源等场合的信息提取和利用。

背景技术：

窄带滤光片，是从带通滤光片中细分出来的，其定义与带通滤光片相同，也就是这种滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止，窄带滤光片的通带相对来说比较窄，一般为中心波长值的 5％以下。

窄带滤光片广泛应用于可见光至近红外光区的任何波段上以获取高信噪比的信号，特别是在诸如光通讯波段、激光1060nm和半导体固体光源等作为载波的信息提取和利用中，为了减少误码率，防止目标误判，提高微弱信号的检测能力，必须尽可能地提高系统的信噪比，故工程人员期待着一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片来实现。

现有技术常采用Fabry-Perot干涉滤光片来提取信号，如单腔滤光片 G(HL)^pH 2mL H(LH)^pA和G(HL)^p 2mH(LH)^pA，其中，G和A分别代表玻璃基底和空气媒质，(HL)^pH和(HL)^p是反射镜，2mL和2mH是间隔层，p是周期数，m是表示干涉级次的正整数，H和L分别为高、低折射率的四分之一波长膜。这种单腔干涉滤光片不仅截止度很低，而且滤光片通带形状呈三角形，故其信噪比不足1/3，加上透射峰两侧很宽波长截止区的残余透射的背景积分，除非信号源特别强大的场合，否则信号基本上都会被淹没在背景噪声之中，因此，实际使用常常要求用多腔滤光片G[(HL)^pH 2mL H(LH)^p L]^qA 或G[(HL)^p 2mH(LH)^p L]^qA，这里，q是腔的数目，腔与腔之间用L耦合。通过设计p、m、q以及H和L的折射率一般可以得到常规应用的滤光片。对高截止滤光片，虽然增加多腔滤光片腔的数目q，截止度可以迅速提高，但是透射通带的波纹也会相应迅速增大，这种截止度和通带波纹之间的矛盾是迄今高性能滤光片设计的最大障碍。

本实用新型提出一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片，一方面滤光片具有很高的截止度和很低的通带波纹，另一方面，其通带形状呈近似的矩形，故本实用新型称其准矩形。这样的滤光片具有极高的信噪比，因而不仅可大大降低信号获取时的误码、误判，而且可以检测到现有技术所无法检测的微弱信号。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片，以用于可见光至近红外光区的任一波段上获取极高信噪比的信号，减少信号的误码率，防止目标信号误判，利于实施微弱信号检测。

为此，本实用新型的构思如下：

首先，提出滤光片的最佳评价参数为矩形度。矩形度是滤光片通带透射率降至峰值的90％时的带宽与降至峰值的50％时的带宽(半宽度)之比，比值越接近于1，矩形度越好。矩形度既包含着通带的信息，又包括着截止带的信息，因为矩形度越大，必定截止度越高，而且如果通带波纹太大，矩形度就会失去意义，所以本实用新型用矩形度直接评价，既简单方便，又反映真实特性。

其次，分析滤光片通带波纹造成的原因最终认定是滤光片导纳失匹所致，因此消除通带波纹的根本路径在于导纳匹配。一旦导纳匹配后，通带波纹消失，就可用增加周期数来提高截止度或矩形度，所以消波纹是必须先行解决的问题。对现有技术的多腔滤光片，一般常选择q＝3或4，其实，这时滤光片的特性是截止度和波纹之间的折中，或者说两者都可勉强接受，这就是现有技术选择3腔或4腔滤光片的原因和局限。以低折射率间隔层的滤光片G[(HL)^pH 2mL H(LH)^pL]^q A为例，若q＝4，展开为4个腔后的通式为G (HL)^pH 2mL H(LH)^pL(HL)^pH 2mL H(LH)^p L(HL)^pH 2mL H(LH)^p L(HL)^pH 2mL H(LH)^p L A，这里，计算一下导纳就可发现，每个腔的导纳和整个膜系的导纳都非常高，整个膜系与基底G和空气A严重失匹，所以其通带波纹很大是不足为奇的。那么如何使其导纳匹配呢？假设把每个腔的导纳依次表示为G E₁E₂E₃E₄A，并假设以E₃为参考导纳，可把G E₁E₂E₃看成基底G上的3层等效膜，并把E₁E₂设计成G和E₃的减反射膜，同理，也可把E₄设计成E₃和A的减反射膜，这样可望达到导纳匹配的目的。作为本实用新型要求的滤光片带宽，上述通式经导纳匹配设计后的4腔滤光片变为如下形式 G(HL)⁴H2L2HH(LH)⁴L(HL)⁵H2LH(LH)⁵L(HL)⁵H2L2HH(LH)⁵L(HL)⁴H 2L2HH(LH)⁴LA，现在，除E₁E₄具有相同的腔结构和相同的导纳外，其余的腔结构和导纳都是不同的。计算证明，由于导纳匹配的实施，其通带波纹确从未导纳匹配前的约17.5％下降到2.3％，但其波长过渡区的陡度却比未导纳匹配前有所下降，原因主要是E₁E₄因导纳匹配时反射镜(HL)^pH的周期p减小了1所致。

为了在导纳匹配时易于实施导纳微调，以获得最低的通带波纹，从以上可以看到，经导纳匹配的4腔滤光片的间隔层一般不一定是单一层，而是分成若干层，如把4L分成2L2H，其中E₂因微调需要又把2L2H调成2L，这一改变不仅有利于导纳微调，而且为减小滤光片倾斜入射或准直不理想引起的角度偏振效应和薄膜结累应力带来了好处。

然后，经导纳匹配后的滤光片通带波纹已很小，此时增加其周期数，可望在基本不改变波纹的情况下显著增加矩形度。设上述导纳匹配后的滤光片重复周期数为s，则得到本实用新型的主膜系为G[(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L (HL)⁵H2LH(LH)⁵L(HL)⁵H2L3H(LH)⁵L(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L]^sA，需要注意的是，这里的周期数s与前面的腔数目q意义是不同的。当s从1增加到3，主膜系的矩形度可从0.82增加到0.93，但是遗憾的是，在通带两侧产生了异乎寻常的尖锐次峰，每侧的次峰数目为s－1。

最后，为了消除通带两侧的尖锐次峰，在基底背面再加上一个如下的截止膜G[(HL)³H4L2H4L2HH(LH)³L(HL)⁴H4L2H4LH(LH)⁴L(HL)⁴H 4L2H 4L2HH(LH)⁴L(HL)³H4L2H4L2HH(LH)³L]³A，此截止膜的带宽与主膜系接近，设计方法与主膜系相似，但要求其通带两侧的次峰波长位置与主膜系完全叉开，这样才能互相截去次峰。可以看出，截止膜各个腔的周期p都比主膜系减小1，而干涉级次m从2增加到6，目的就是要叉开次峰波长，并保持带宽不变；同时把间隔层12L分成4L2H4L2H，其中E₂微调成4L2H4L。此截止膜与上述主膜系合成后，通带两侧的次峰被消除，截止度增加，矩形度从0.93增加到0.94，形成一个完美的高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片。

为实现上述目的，本实用新型所采取的具体技术方案是：

一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片，包括基底以及分别设置在所述基底两侧的主膜系和截止膜系，所述的主膜系和截止膜系均由四个不同等效折射率的法布里-珀罗滤光片的三重周期结构组成。

所述的主膜系为G[(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L(HL)⁵H2LH(LH)⁵L (HL)⁵H2L3H(LH)⁵L(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L]³A，其中，G代表基底，A代表空气，H表示四分之一波长膜厚的高折射率膜层，L表示四分之一波长膜厚的低折射率膜层。所述的高折射率膜层为氧化钛(Ti₃O₅)、氧化铌(Nb₂O₅)或氧化钽(Ta₂O₅)，所述的低折射率膜层为氧化硅(SiO₂)。

所述的截止膜系为G[(HL)³H4L2H4L3H(LH)³L(HL)⁴H4L2H4LH(LH)⁴L (HL)⁴H4L2H 4L3H(LH)⁴L(HL)³H4L2H4L3H(LH)³L]³A，其中，G代表基底， A代表空气，H表示四分之一波长膜厚的高折射率膜层，L表示四分之一波长膜厚的低折射率膜层。所述的高折射率膜层为氧化钛(Ti₃O₅)、氧化铌 (Nb₂O₅)或氧化钽(Ta₂O₅)，所述的低折射率膜层为氧化硅(SiO₂)。

进一步地，所述的高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片的中心波长为1000nm～1600nm。所述的基底在波长为1000nm～1600nm时，折射率 1.48～1.55。

进一步地，所述的高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片的中心波长为 1550nm或1060nm，即用于1550nm光通信波段的滤光片，或者用于1060nm 激光波段的滤光片。

进一步地，所述的高折射率膜氧化钛在1550nm和1060nm的折射率分别为2.27和2.3，氧化铌在1550nm和1060nm的折射率分别为2.22和2.24，氧化钽在1550nm和1060nm的折射率分别为2.04和2.05，所述的低折射率膜氧化硅在1550nm和1060nm的折射率分别为1.443和1.45。

更进一步地，所述的基底为BK7(德国肖特玻璃厂，Schott Glaswerke AG) 或WMS-13(日本OHARA生产的WMS-13)，基底BK7在1060nm的折射率为1.51，基底WMS-13在1550nm的折射率1.52。所述的基底在波长1060nm 优先采用BK7，在波长1550nm优先采用WMS-13。即所述的高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片的中心波长为1550nm，基底采用日本OHARA生产的WMS-13，基底WMS-13在1550nm的折射率1.52。所述的高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片的中心波长为1060nm，基底采用德国肖特的BK7，基底BK7在1060nm的折射率为1.51。

更进一步地，所述的基底WMS-13为高热膨胀系数的光学玻璃，其线膨胀系数为110×10^-7/℃，以减小波长漂移。

更进一步地，所述的高折射率膜层优先为氧化钛(Ti₃O₅)，所述的低折射率膜层优先为氧化硅(SiO₂)。

更进一步地，所述的主膜系总层数为264层，由基底向外，奇数层为四分之一波长或四分之一波长整正数倍厚度的高折射率膜层，偶数层为四分之一波长或四分之一波长整正数倍厚度的低折射率膜层，其中靠空气侧的最外二层膜的厚度依次修正为：0.7930H和2.5964L。

更进一步地，所述的截止膜系总层数为240层，由基底向外，奇数层为四分之一波长或四分之一波长整正数倍厚度的高折射率膜层，偶数层为四分之一波长或四分之一波长整正数倍厚度的低折射率膜层，其中靠空气侧的最外二层膜的厚度依次修正为：0.7467H和0.6217L。

最优选的技术方案：

一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片，包括基底前表面的主膜系G [(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L(HL)⁵H2LH(LH)⁵L(HL)⁵H2L3H(LH)⁵L(HL)⁴H2L3H (LH)⁴L]³A和基底背表面的截止膜系G[(HL)³H4L2H4L3H(LH)³L (HL)⁴H4L2H4LH(LH)⁴L(HL)⁴H4L2H4L3H(LH)⁴L(HL)³H4L2H4L3H(LH)³ L]³A，H和L分别表示四分之一波长膜厚的高折射率膜层和低折射率膜层，高折射率膜层为氧化钛(Ti₃O₅)，低折射率膜层为氧化硅(SiO₂)，高折射率膜氧化钛在1550nm和1060nm的折射率分别为2.27和2.30，低折射率膜氧化硅在1550nm和1060nm的折射率分别为1.443和1.45，基底BK7用于波长 1060nm的滤光片，其折射率为1.51,基底WMS-13用于1550nm光通信波段的滤光片，其折射率为1.52，其线膨胀系数为110×10^-7/℃。无论是主膜系还是截止膜系，由基底向外，奇数层为四分之一波长倍厚度的高折射率膜层，偶数层为四分之一波长倍厚度的低折射率膜层。主膜系的总层数为264层，其中靠空气侧的最外2层膜的厚度依次修正为：0.7930H和2.5964L；截止膜的总层数为240层，其中靠空气侧的最外2层膜的厚度依次修正为： 0.7467H和0.6217L。主膜系和截止膜合成后的矩形度可达到0.94。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1).现有技术常采用多腔滤光片G[(HL)^pH 2mL H(LH)^p L]^qA或 G[(HL)^p 2mH(LH)^pL]^qA，这里，q是腔的数目，q一般取3或4。假如同样选用本实用新型的高折射率膜层氧化钛和低折射率膜层氧化硅来设计相同带宽2nm的窄带滤光片，并以低折射率间隔层为例，则得到 G[(HL)⁴H8LH(LH)⁴L]^qA。当q＝3时，即3腔滤光片的矩形度为0.78，通带波纹为2.5％，截止带最大截止度为－90dB；当q＝4时，即4腔滤光片的矩形度由于波纹太大已难以精确确定，通带波纹为17.5％，截止带最大截止度为－130dB。这些窄带滤光片虽已广泛应用，但在要求信噪比很高的场合是远远不足的，采用本实用新型的准矩形窄带滤光片，可达到矩形度0.94，通带波纹1.8％，最大截止度－500dB以上，使背景噪声几乎降到零，在要求极低误码率和没有误判的系统中，在极微弱的信号系统中具有重要的应用价值。

2).现有技术采用常规的多腔滤光片，由于没有意识到借助于导纳匹配设计来减小波纹，因此腔的数目一定是限制的，否则随着腔的数目增多，波纹就会迅速增大，滤光片特性被完全破坏。本实用新型试图通过导纳匹配来减小波纹，并对4腔滤光片进行非对称的导纳匹配，取得了十分满意的结果，对相同的4腔滤光片，导纳匹配前、后的通带波纹从17.5％下降到2.3％，为准矩形滤光片的设计打下了基础。

3).现有技术的多腔滤光片常常镀在基底的前表面，在基底的背表面镀制减反射膜；而且多腔滤光片每个腔的间隔层都是单一层的，如4L、 6L、8L等。而本实用新型试图在基底的前表面和背表面同时镀上相同带宽的窄带滤光片，在不增加波纹的前提下，不仅使矩形度进一步提高，而且截止度大大提高；本实用新型把多腔滤光片每个腔的间隔层分成多个，如把4L分成2L2H，把6L分成2L2H2L或4L2H，等等，不仅为导纳匹配设计提供了导纳微调，而且大大改善了滤光片的角度偏振效应和结累应力。

附图说明

图1是现有技术的单腔和多腔窄带滤光片的透射分光曲线，其中，(a). 单腔，(b).2腔，(c).3腔，(d).4腔，(e).5腔，(f).6腔；

图2是本实用新型把现有技术的单一间隔层分成若干层后的角度效应比较，其中，(a).单一间隔层的角度效应，(b).分成三层后的角度偏振效应；

图3是本实用新型经导纳匹配的4腔滤光片的透射分光曲线；

图4是本实用新型的图3滤光片重复三个周期后的主膜系透射分光曲线；

图5是本实用新型的截止膜系透射分光曲线；

图6为本实用新型的准矩形滤光片的透射分光曲线；

图7为本实用新型的准矩形滤光片与现有技术的三腔滤光片的dB曲线比较，其中，(a)为本实用新型的准矩形滤光片，(b)为现有技术的三腔滤光片；

图8为本实用新型高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片的结构示意图，其中，1为基底，2为主膜系，3为截止膜系。

具体实施方式

图1是现有技术的单腔和多腔窄带滤光片的透射分光曲线，若以低折射率间隔层为实施例子，则可表示成如下通式：G[(HL)^pH 2mL H(LH)^p L]^q A，这里，q是腔的数目，m是表示间隔层干涉级次，p是周期数，H和L分别为高、低折射率的四分之一波长膜层，通过设计q、m、p以及H和L的折射率可以得到特定带宽的滤光片。图1中的分光曲线为p＝4、m＝4，且高、低折射率分别为氧化钛和氧化硅，即G[(HL)⁴H8LH(LH)⁴L]^q A的计算结果，图1中(a)为单腔滤光片，(b)为2腔滤光片，(c)为3腔滤光片，(d)为4腔滤光片，(e)为5腔滤光片，(f)为6腔滤光片，分别代表q从1到6的分光特性。从图1(a)可以看出，单腔滤光片不仅截止度很低，而且通带形状呈三角形，矩形度仅0.31，信噪比小于1/3，加上透射峰两侧很宽波长区的残余透射的背景积分，信号基本上都淹没在背景噪声之中，所以，这种单腔滤光片现在已基本不用。随着腔的数目q增大，滤光片通带形状得到改善，矩形度增加，如图1(b)和(c)的2腔和3腔滤光片，矩形度分别为0.59和0.78。当腔的数目 q等于或超过4，如图1(d)，(e)和(f)所示的4腔，5腔和6腔滤光片，随着q 增大，通带波纹越来越大，虽然滤光片截止度和陡度改善，但矩形度已失去意义。正因为这样，现有技术常选择3腔或4腔滤光片实际应用，通常不超过4腔。

图2是本实用新型把现有技术的单一间隔层分成若干层后的角度偏振效应比较，实施例子为G[(HL)⁸H 6L H(LH)⁸L]³A，高、低折射率分别为Ta₂O₅和SiO₂。当入射角为20°时，角度偏振效应如图2(a)所示。若把上述间隔层 6L改变成2H2L2H，即G[(HL)⁸H 2H2L2H H(LH)⁸L]³A，则同样入射角为20°时，角度偏振效应如图2(b)所示。从图2可以看到，间隔层2H2L2H与6L 相比，不仅波长短移减小，而且s,p偏振分离减小。这一改变不增加任何复杂性，但却可带来微调导纳、减小角度效应和减小应力等优点。

图3是本实用新型经导纳匹配的4腔滤光片的透射分光曲线，即 G(HL)⁴H2L2HH(LH)⁴L(HL)⁵H2LH(LH)⁵L(HL)⁵H2L2HH(LH)⁵L(HL)⁴H 2L2HH(LH)⁴LA，高、低折射率膜分别为氧化钛和氧化硅。与图1(d)所示的未经导纳匹配设计的4腔滤光片相比，其通带波纹从17.5％下降到匹配后的 2.3％，匹配后的矩形度为0.82，过渡曲线陡度比未匹配时有所下降，这是因为E₁、E₄在导纳匹配过程中起着减反射膜的作用，所以其导纳必然小于E₂和E₃、大于G和A，这是通过减小反射镜的周期p和干涉级次m来实现的，因而使过渡曲线陡度下降。但只要通带波纹足够小，这可通过重复周期数来提高矩形度。

图4是本实用新型图3所示的滤光片重复三个周期后的主膜系透射分光曲线，即G[(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L(HL)⁵H2LH(LH)⁵L(HL)⁵H2L3H(LH)⁵L (HL)⁴H 2L3H(LH)⁴L]³A，当s从1增加到3，矩形度从0.82增加到0.93，但是遗憾的是，在通带两侧产生了不希望的尖锐次峰。为此需要设计一个消次峰的截止膜系，图5是本实用新型截止膜系的透射分光曲线，即G [(HL)³H4L2H4L3H(LH)³L(HL)⁴H4L2H4LH(LH)⁴L(HL)⁴H4L2H4L3H(LH)⁴ L(HL)³H4L2H4L3H(LH)³L]³A，高、低折射率膜仍为氧化钛和氧化硅。由于截止膜的带宽与主膜系接近，而通带两侧的次峰波长位置与主膜系完全叉开，所以能互相截去次峰。

如图8所示，一种高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片，包括基底1、基底1前表面的主膜系2G[(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L(HL)⁵H2LH(LH)⁵L (HL)⁵H2L3H(LH)⁵L(HL)⁴H2L3H(LH)⁴L]³A和基底1背表面的截止膜系3 G[(HL)³H4L2H4L3H(LH)³L(HL)⁴H4L2H4LH(LH)⁴L(HL)⁴H4L2H4L3H (LH)⁴L(HL)³H4L2H4L3H(LH)³L]³A，H和L分别表示四分之一波长膜厚的高折射率膜层和低折射率膜层，2L为两倍厚度的四分之一波长膜厚的低折射率膜层，3H为三倍厚度的四分之一波长膜厚的高折射率膜层，以此类推。高折射率膜层为氧化钛(Ti₃O₅)，低折射率膜层为氧化硅(SiO₂)，以1550nm光通信波段的滤光片为例，四分之一波长的厚度即为1550nm/4＝387.5nm，基底选用WMS-13，用于1550nm光通信波段的滤光片，其折射率为1.52，其线膨胀系数为110×10^-7/℃。高折射率膜氧化钛在1550nm的折射率分别为 2.27，低折射率膜氧化硅在1550nm的折射率分别为1.443。无论是主膜系2 还是截止膜系3，由基底1向外，奇数层为四分之一波长倍厚度的高折射率膜层，偶数层为四分之一波长倍厚度的低折射率膜层。主膜系2的总层数为 264层，其中靠空气侧的最外2层膜的厚度依次修正为：0.7930H和2.5964L；截止膜的总层数为240层，其中靠空气侧的最外2层膜的厚度依次修正为： 0.7467H和0.6217L。主膜系2和截止膜3合成后的矩形度可达到0.94。图6 为本实用新型最终的准矩形滤光片的透射分光曲线，通带两侧的次峰被消除，截止度增加，矩形度从0.93增加到0.94，最终形成本实用新型的高截止、低波纹的准矩形窄带滤光片。

鉴于滤光片的截止度难以从透射分光曲线中看出的原因，图7示出了本实用新型的准矩形滤光片与现有技术的三腔滤光片的分贝(dB)分光曲线的比较。其中，图7(a)为本实用新型准矩形滤光片的分贝(dB)分光曲线，对应图6所示的透射分光曲线；图7(b)为现有技术的三腔滤光片的分贝(dB) 分光曲线，对应图1(c)所示的透射分光曲线。可以看出，两者的截止度相差非常大，具体地说，在离中心波长1550nm为5nm的1545nm波长上，本实用新型的准矩形滤光片的截止度为－155dB(相当于残余透射率3x10^-14)，而3 腔常规滤光片的截止度为－37dB(相当于残余透射率2x10^-4，即0.02％)，基本上为4倍；而在波长1500nm处，达到最大截止，截止度分别为－500dB 和－90dB，超过5倍。对应于本实用新型的准矩形窄带滤光片矩形度为0.94，通带波纹为1.8％；3腔滤光片的矩形度为0.78，通带波纹为2.5％。这种准矩形窄带滤光片在要求极高信噪比的应用中受到广泛青睐。