一种膜系结构及其制作方法

技术领域

本发明实施例涉及光学薄膜技术领域，尤其涉及一种膜系结构及其制作方法。

背景技术

随着科技的日新月异，光学薄膜在民用和军用等领域的应用越来越广泛；与此同时，市场对光学薄膜产品性能的要求也越来越高，如何高效低成本地制备光学薄膜元件成为一个重要课题。

在光学薄膜制备中，薄膜元件的均匀性和制备薄膜元件的厚度匹配是非常重要的性能参数。光学薄膜种类较多，常规薄膜有长波通、短波通、高反膜和增透膜等，当高折射率和低折射率材料的厚度不是1：1匹配时，光谱本身不会有太大差异。在这种情况下，使用常规的修正方法完全可以制备出合格产品。但是，对于一些精度比较高的薄膜，比如高陡度的Edge Filter、高陡度的CWDM和Lan-WDM等膜系，尤其CWDM和Lan-WDM等，该类薄膜元件均匀性的优劣和高低折射率材料的膜厚匹配，直接关系到薄膜元件的良品率。

常规的膜厚修正方法，主要是通过分别制作掩膜板的方法来分别修正高低折射率材料的膜厚均匀性和膜厚配比。但该方法存在很大不足，其一，高低折射率材料不能有效匹配膜厚配比；其二，膜厚均匀性精度不能满足高精度薄膜的制备。

发明内容

本发明实施例提供一种膜系结构及其制作方法，以实现在修正膜厚均匀性的同时，可以修正高折射率材料和低折射率材料的光学厚度相对比例的准确性。

第一方面，本发明实施例提供了一种膜系结构，所述膜系结构为：

Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^c fL|Air；

其中，Sub为基板，Air为出射介质空气，H为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料，L为1/4中心波长光学厚度的低折射率材料，a、b、c、d、e、f均为正整数；

其中，(HL)^a表示依次沉积H膜层和L膜层并重复a次；(2H)^b表示依次沉积H膜层和H膜层并重复b次；(LH)^c表示依次沉积L膜层和H膜层并重复c次；(2L)^d表示依次沉积L膜层和L膜层并重复d次；((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e表示膜堆(HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d重复e次；fL表示L膜层重复f次。

可选地，1≤a≤5，1≤c≤5。

可选地，1≤b≤2，1≤d≤2，1≤e≤2，1≤f≤2。

可选地，所述高折射率材料为Ta

可选地，所述低折射率材料为SiO

可选地，所述基板为石英基板，所述高折射率材料为Ta

可选地，a＝5，b＝2，c＝5，d＝3，e＝1，f＝1。

可选地，所述中心波长为1310nm。

第二方面，本发明实施例提供了一种膜系结构的制作方法，包括：

提供基板；

按照所述膜系结构，采用物理气相沉积方式依次生长高折射率材料和低折射率材料；

其中，所述膜系结构为：

Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^c fL|Air；

其中，Sub为所述基板，Air为出射介质空气，H为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料，L为1/4中心波长光学厚度的低折射率材料，a、b、c、d、e、f均为正整数；

其中，(HL)^a表示依次沉积H膜层和L膜层并重复a次；(2H)^b表示依次沉积H膜层和H膜层并重复b次；(LH)^c表示依次沉积L膜层和H膜层并重复c次；(2L)^d表示依次沉积L膜层和L膜层并重复d次；((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e表示膜堆(HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d重复e次；fL表示L膜层重复f次。

可选地，按照所述膜系结构，采用物理气相沉积方式依次生长高折射率材料和低折射率材料，包括：

按照所述膜系结构，采用物理气相沉积方式依次生长高折射率材料和低折射率材料，根据所述中心波长两侧透射峰对应波长与所述中心波长之间的带宽，判断高折射率材料和低折射率材料厚度相对配比系数，并在高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比偏离1:1时，修正高折射率材料和低折射率材料相对厚度配比。

本发明实施例的技术方案，通过制作膜系结构为：Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^c fL|Air，使得膜系结构在参考光谱特征峰波长对膜层材料厚度配比时较为敏感，并且此膜系结构的光谱特征峰对材料的非均质性不敏感。另外，此膜系结构为规整结构，制作方式简单，在修正膜厚均匀性的同时，还可以高效地判断和修正高低折射率材料的膜厚配比分布，保证了高折射率材料和低折射率材料光学厚度相对比例的准确性，尤其适用于CWDM和Lan-WDM等高精度薄膜元件。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种膜系结构的光谱曲线示意图；

图2为本发明实施例提供的一种膜系结构的设计光谱和实测光谱曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供的膜系结构为：Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^c fL|Air；其中，Sub为基板，Air为出射介质空气，H为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料，L为1/4中心波长光学厚度的低折射率材料，a、b、c、d、e、f均为正整数。

其中，(HL)^a表示依次沉积H膜层和L膜层并重复a次。(2H)^b表示依次沉积H膜层和H膜层并重复b次，即，H膜层重复2b次。(LH)^c表示依次沉积L膜层和H膜层并重复c次。(2L)^d表示依次沉积L膜层和L膜层并重复d次，即，L膜层重复2d次。H膜层代表高折射率膜层，高折射率膜层包括高折射率材料。L膜层代表低折射率膜层，低折射率膜层包括低折射率材料。一个高折射率膜层与一个相邻的低折射率膜层配对，形成一个高低对偶单元。由此，(HL)^a表示a个高低对偶单元，(LH)^c表示c个高低对偶单元。需要进一步说明的是，膜层单元(HL)^a、膜层单元(2H)^b、膜层单元(LH)^c和膜层单元(2L)^d可以共同作为一个整体构成膜堆，((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e表示膜堆(HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d重复e次。fL表示L膜层重复f次，即，依次沉积L膜层f次。

本实施例的技术方案，提供一种可对高精度薄膜元件的膜厚均匀性及其高低折射材料光学厚度相对比例进行修正的膜系结构，通过制作膜系结构为：Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^c fL|Air，使得膜系结构在参考光谱特征峰波长对膜层材料厚度配比时较为敏感，并且此膜系结构的光谱特征峰对材料的非均质性不敏感。另外，此膜系结构为规整结构，制作方式简单，在修正膜厚均匀性的同时，还可以高效的判断和修正高低折射率材料的膜厚配比分布，保证了高折射率材料和低折射率材料光学厚度相对比例的准确性。

可选地，在上述膜系结构中，1≤a≤5，1≤c≤5。具体地，这里的a和c取值均为正整数。

示例性地，当a＝1时，(HL)^a表示依次沉积H膜层和L膜层；当a＝5时，(HL)^a表示依次沉积H膜层和L膜层，并重复5次，即，依次沉积H膜层、L膜层、H膜层、L膜层、H膜层、L膜层、H膜层、L膜层、H膜层和L膜层。类似地，当c＝1时，(LH)^c表示依次沉积L膜层和H膜层。当c＝5时，(LH)^c表示依次沉积L膜层和H膜层并重复5次，即，依次沉积L膜层、H膜层、L膜层、H膜层、L膜层、H膜层、L膜层、H膜层、L膜层和H膜层。

可选地，在上述膜系结构中，1≤b≤2，1≤d≤2，1≤e≤2，1≤f≤2。这里的b，d，e，f取值均为正整数。

示例性地，当b＝1时，(2H)^b表示依次沉积H膜层和H膜层。当b＝2时，(2H)^b表示依次沉积H膜层和H膜层并重复2次，即，依次沉积H膜层4次。类似的，当d＝1时，(2L)^d表示依次沉积L膜层和L膜层。当d＝2时，(2L)^d表示依次沉积L膜层和L膜层，并重复2次，即，依次沉积L膜层4次。当e＝2时，((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e表示膜堆(HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d重复2次。以a＝1，b＝1，c＝1，d＝1，e＝2为例，((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e表示，依次沉积H膜层、L膜层、H膜层、H膜层、L膜层、H膜层、L膜层和L膜层，之后，再重复刚才的操作，再次形成上述膜堆，即，接着依次沉积H膜层、L膜层、H膜层、H膜层、L膜层、H膜层、L膜层和L膜层。当f＝1时，fL表示沉积L膜层。当f＝2时，fL表示沉积L膜层和L膜层。

可选地，高折射率材料为Ta

本发明实施例还基于上述膜系结构，设计制作一种Lan WDM窄带滤光片(薄膜元件的一种示例)。

具体地，制备半宽度小于4nm，尺寸为40mm×40mm口径的Lan WDM窄带滤光片，由于其膜系对厚度非常敏感，同时为实现整个尺寸内的光谱均匀性，对尺寸内任意点的高低折射率材料的厚度配比及均匀性要求极其严格。为此，先采用膜系结构Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^cfL|Air来同时修正高折射率材料与低折射率材料的厚度配比及均匀性，其中，基板为石英基板，高折射率材料为Ta

基于同样的发明构思，本实施例可适用于一种膜系结构的制作方法，该膜系结构的制作方法具体包括：

步骤一、提供基板。

可选地，基板采用玻璃或晶体，玻璃可以为K9玻璃或石英玻璃的任一种。

步骤二、按照膜系结构，采用物理气相沉积方式依次生长高折射率材料和低折射率材料。

可选地，通过在任意光学基板上采用物理气相沉积方式依次生长高低折射率介质膜层，此膜系的制备可以用常规的光学监控或晶振监控轻易实现。

其中，膜系结构为：Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^c fL|Air。Sub为基板，Air为出射介质空气，H为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料，L为1/4中心波长光学厚度的低折射率材料，a、b、c、d、e、f均为正整数；(HL)^a表示依次沉积H膜层和L膜层并重复a次；(2H)^b表示依次沉积H膜层和H膜层并重复b次；(LH)^c表示依次沉积L膜层和H膜层并重复c次；(2L)^d表示依次沉积L膜层和L膜层并重复d次；((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e表示膜堆(HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d重复e次；fL表示L膜层重复f次。

本实施例的膜系结构制作方法，用于制作上述实施例中的膜系结构，其生成的膜系结构为：Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^cfL|Air，以实现在修正膜厚均匀性的同时，还保证了高折射率材料和低折射率材料的光学厚度相对比例的准确性。

本发明中，通过判断波峰对应的波长偏移，来修正高折射率膜层和低折射率膜层相对厚度配比。

可选地，上述步骤二具体可以细化为：按照膜系结构，采用物理气相沉积方式依次生长高折射率材料和低折射率材料，根据中心波长两侧透射峰对应波长与中心波长之间的带宽，判断高折射率材料和低折射率材料厚度相对配比系数，并在高折射率材料和低折射率材料的光学厚度比偏离1:1时，修正高折射率材料和低折射率材料相对厚度配比。也就是说，在通过沉积高折射率膜层(即H膜层)和低折射率膜层(即L膜层)的过程中，通过其光谱特性(具体为峰对应的波长偏移)，分析以便修正高折射率膜层和低折射率膜层相对厚度配比。

示例性地，参考图1，按照膜系结构为：Sub|((HL)^a(2H)^b(LH)^c(2L)^d)^e(HL)^a(2H)^b(LH)^c fL|Air，采用物理气相沉积方式依次生长高折射率材料Ta

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。