可见光通信用蓝光滤膜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了可见光通信用蓝光滤膜，其结构为：在基片上依次为宽通带干涉截止滤光膜、高反射膜和减反膜，它大幅降低了可见照明光和背景辐射进入探测器形成的噪声。同时，本项目蓝光滤膜对蓝光信号透过与可见照明光截止的边界陡峭、准确，使得在最大程度上滤掉可见照明光和近红外干扰时，对蓝光信号的损失最小，显著地提高了可见光通信的效率和信噪比，对可见光通信等领域的发展与应用非常有利。
【专利说明】可见光通信用蓝光滤膜
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学滤光薄膜，具体指应用于可见光通信中能将通信用蓝光信号从照明和背景光中过滤出来的蓝光滤膜。
【背景技术】
[0002]可见光通信(visible light communication, VLC)是一种在白光LED技术上发展起来的新兴光无线通信技术。与传统的射频通信和其他光无线通信相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、无带宽限制、节约能源等优点，具有极大的发展潜力，已引起人们的广泛关注和研究。
[0003]目前常用于可见光通信的光源主要是蓝色光LED芯片+黄色荧光粉激发白光(光谱如图1所示)。蓝光LED激发荧光粉发光，使蓝光与激发出的荧光混合形成白光。基于这种光源的光谱特点，其中LED发出的蓝光用于通信，而其余波段的可见光用于照明，实现照明与通信一体化。
[0004]在可见光通信中，除了通信用的蓝光波段LED信号外，环境中还存在大量强度远大于蓝光信号的照明光和干扰光，这些光进入PIN管探测器中也会形成光响应信号，造成无法区分蓝光信号与噪声，严重干扰可见光通信。值得注意的是，通常PIN管探测器对500nm以上波长光的响应要显著强于500nm以下的蓝光通信信号，非通信干扰光形成非常强烈的噪声。如果不将其它波段的噪声进行过滤和抑制的话，是难以实现对蓝光信号的有效探测与通信的。为了过滤掉噪声，获得单纯的蓝光信号，需要在所有光进入探测器前加一个蓝光滤膜进行过滤，使得除了光通信用蓝光能够透过到达探测器外，其他波段的杂散光全部滤掉。
[0005]总之，要求在蓝光波段透过率要尽可能高，而在其它探测器有响应的可见和近红外波段则透过率要尽可能低，实现蓝光波段的带通滤波，过滤掉蓝光信号之外的大量噪声，实现可见光照明与通信一体化。
[0006]已有产品结构通常采用在光学玻璃或有色玻璃镀上简单的短波通滤光膜来实现的，主要存在以下不足:
[0007]I)蓝光信号波段透过率不够高，还有提升空间；
[0008]2)带外截止只做到了可见波段，对于探测器仍有较强响应的近红外波段又有很高透过率，导致噪声和信噪比不够高；
[0009]3)蓝光透过与可见截止的边界不够准确和陡峭，导致不是有过多的可见光噪声漏入，就是有过多蓝光信号被滤掉，从而降低效率和信噪比。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种可见光通信用蓝光滤膜，为了获得尽可能多的通信用蓝光信号，同时抑制掉大量的照明和背景噪声，本发明将短波通滤光膜系、一系列高反膜系和减反膜系组合起来，其中短波通滤光膜系为了确保中心波长456nm附近的蓝光信号高效透过；一系列高反膜系组合则可实现500nm~IlOOnm可见及近红外区域的带外抑制，将此波段范围内探测器有响应的大量照明和背景辐射噪声抑制掉，提高蓝光通信的信噪比和传输速率；减反膜系则是在整个膜系基础上，减小表面的反射损失，进一步提高蓝光信号的接收效率。
[0011]由于通带(420nm~478nm)较宽(~60nm),而所需截止带相当宽(500nm~11OOnm),因此本发明是由长波通膜系和短波通膜系的通带交叠来获得通带和截止带。
[0012]由于长波通滤波器和短波通滤波器简单叠加后形成的截止带宽度往往非常有限，截止带宽度远达不到设计要求，而且截止带的透射率仍较高，截止不彻底。因此，还需要进一步对通带外截止带进行扩展和优化。让截止带截止更彻底的具体方法是在所需的截止带上叠加更多不同波段的高反射膜系，波段从500nm覆盖至110011111，截止深度达到0.6%以下。
[0013]根据可见光通信用LED的具体光谱特性，将蓝光带通的长波端截止边精确调节至如图1所示蓝光信号与可见光荧光照明之间的交界处(白光LED透射谱的谷值)，使得蓝光信号透过与可见截止的边界陡峭、准确，在最大程度滤掉可见照明光干扰的同时，蓝光信号的损失最小，既有效地遏制了可见光噪声的影响，又保证了蓝光信号的高效通过，从而最大程度地提高了效率和信噪比。
[0014]单个\ /4膜堆中高、低折射率材料的折射率差别越大则高反射带越宽。但实际中可选的材料范围十分有限，极大地限制了高、低折射率材料间的折射率差别，因此单个入/4膜堆的高反射区宽度非常有限，还需要扩展高反射区的宽度。本发明中采用的展宽方法是:在一个X/4高反射多层膜上，叠加另一个中心波长不同的X/4高反射多层膜，即直接将不同波段的高反射带进行拼接，从而扩展其高反射区。
[0015]但是，简单的膜系拼接与组合会导致通带内出现起伏不同的波纹振荡，通带内相当部分区域的透过率并不高，即总的蓝光信号透过效率不高，影响光接收效率，因此必须压缩通带内波纹的幅度。本发明采用在对称膜系的两侧加镀匹配层，使折射率平缓过渡，这样等效折射率可以同时与基片和入射介质匹配，从而达到减小通带内波纹振荡的目的。
[0016]蓝光滤膜的表面层或背面的衬底，由于折射率均大于空气，信号光入射时都会有一定程度的反射，造成一定的信号损失。为了尽可能减小因反射引起的信号损失，需要引入减反膜来降低反射，提高信号的透过率和最终的接收效率。
[0017]对于单层减反膜，其结构如图2所示，根据传输矩阵法计算得到反射率
【权利要求】
1.一种可见光通信用蓝光滤膜，其结构为:在基片(I)上依次为带通干涉截止滤光膜(2)、高反射膜(3)和减反膜(4)，其特征在于: 所述的宽通带干涉截止滤光膜(2)的膜系结构为:
(0.5LH0.5L)S 或(0.5HL0.5H)S 其中:H代表X/4光学厚度的高折射率膜层，L代表X/4光学厚度的低折射率膜层，入为膜系的中心波长456nm，S代表膜堆的重复次数，S选取8_15 ;H，L前的数字为该膜层厚度的比例系数； 所述的高反射膜(3)的膜系结构为:
[(HL) 1.2 (HL) 1.4 (HL) 1.6 (HL) 1.8 (HL) 2.0 (HL) 2.2 (HL)] 其中中心波长入取500nm; 所述的减反膜(4)的膜系结构为:
M2HL 其中混合层M为入/4光学厚度的SixAlyNj^膜层，入为膜系的中心波长456nm; 该膜系在420nm~478nm的蓝光波段，平均透过率大于97%，在500nm~1000nm其他可见光及近红外波段，平均透过率小于1%，截止边准确，陡峭，实现了蓝光波段的带通滤波，适合于可见光通信应用。
2.根据权利要求1所述 的一种可见光通信用蓝光滤膜，其特征在于:所述的高折射率膜层采用 Ta205、ALOxNy, Bi203、BiF3、CeF3、Ce02、CsBr、Cs1、Cr2O3、金刚石、Dy2O3、Eu2O3, Gd2O3,HfO2> Ho2O3> ln203、La2O3> MgO> Nb2O5> Nd2O3、NdF3、PbCl2、PbF2、Pr6O1 Sc2O3> Sb2O3> SnO2> Si3N4、Sm2O3> TiO2> Y2O3> ZnO> ZnS> ZrO2> Zr02+Ti02> Pr60n+Ti02、La203+Ti02、或 Pr60n+Al203。
3.根据权利要求1所述的一种可见光通信用蓝光滤膜，其特征在于:所述的低折射率膜层采用 S i O2, ALOxNy, A1F3, B iF3 > BaF2, CaF2, CeF3 > CeO2, CsBr, Cs I, Dy2O3 > Eu2O3 > Gd2O3 > HfO2,Ho2O3> In2O3> LiF、LaF3> La2O3> MgF2 > MgO> NaF> Na3AlF6、Nd203、NdF3> PbF2> Pr6O11 > Sc2O3> SrF2>SmF3> Sm2O3> TiO2> Ta2O5> ThF4> YbF3> Y203、或 Pr60n+Al203。
4.根据权利要求1所述的一种可见光通信用蓝光滤膜，其特征在于:减反膜(4)中混合层M的镀膜以氮气作为反应气体，根据膜系特点设定不同比例的Si和金属Al同时进行反应溅射，当Si，Al比例为1:1时，所制混合层M的折射率为1.8 ;或采用按预先设定的S1、Al、N三种元素原子比烧结好的SixAlyNz陶瓷为靶材直接进行溅射或蒸发得到折射率介于1.5和2.1之间的混合膜层。
5.根据权利要求1所述的一种可见光通信用蓝光滤膜，其特征在于:所述可见光通信用蓝光滤膜的制备方法采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射或等离子溅射镀膜； 采用溅射镀膜: 所述的SiO2薄膜的制备可以采用Si为靶材，以氧气作为反应气体进行反应溅射；也可以采用SiO2陶瓷靶材直接进行溅射镀膜； 所述的Ta2O5薄膜的制备可以采用金属Ta靶材，以氧气作为反应气体进行反应溅射；也可以采用Ta2O5陶瓷靶材直接进行溅射镀膜； 采用蒸发镀膜: 所述所述的SiO2薄膜的制备采用SiO2陶瓷靶材直接进行蒸发镀膜； 所述的Ta2O5薄膜的制备采用Ta2O5陶瓷靶材直接进行蒸发镀膜。
【文档编号】G02B5/20GK103499852SQ201310470036
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】王少伟, 梁礼晔, 陆卫, 陈飞良, 凌艳菁, 冀若楠, 刘星星, 陈效双, 俞立明, 田硕 申请人:中国科学院上海技术物理研究所, 上海宽带技术及应用工程研究中心