JP6114164B2 - Optical filter - Google Patents
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Description
本発明は、所定波長の光を透過させる光学フィルタに関する。特に、波長透過特性の入射角依存性が小さなものに関する。 The present invention relates to an optical filter that transmits light of a predetermined wavelength. In particular, the present invention relates to a wavelength transmission characteristic having a small incident angle dependency.
近年、赤外線センサがさまざまな用途で用いられている。その赤外線センサのＳＮ比を向上させて高精度にする目的で、赤外線センサに入射する光のうち外乱光をカットする光学フィルタが使用されている。 In recent years, infrared sensors have been used in various applications. For the purpose of improving the S / N ratio of the infrared sensor to achieve high accuracy, an optical filter that cuts disturbance light out of the light incident on the infrared sensor is used.
そのような光学フィルタ、すなわち、所望の波長帯域を透過させ、他の波長帯域は透過させないバンドパスフィルタとして動作する光学フィルタとして、以下の４つのものが挙げられる。 Examples of such an optical filter, that is, an optical filter that operates as a band-pass filter that transmits a desired wavelength band and does not transmit other wavelength bands, include the following four filters.
１つは、色素系材料を用いた光学フィルタである（特許文献１参照）。色素系のレジストをカラーＣＣＤなどの画素上に塗布してカラーフィルタとする方法が、液晶ディスプレイに広く用いられている。このような光学フィルタは、主として可視光領域を透過させるものである。 One is an optical filter using a dye-based material (see Patent Document 1). A method of applying a dye-based resist on a pixel such as a color CCD to form a color filter is widely used for liquid crystal displays. Such an optical filter mainly transmits the visible light region.
他の１つは、誘電体多層膜を用いた光学フィルタである（特許文献２〜４参照）。誘電体多層膜は、屈折率の異なる２つの誘電体を交互に複数回繰り返し積層させた構造であり、各層の厚さを所定の値とすることで、所望の波長の光を反射あるいは透過させることができる。特許文献３、４には、一方の誘電体としてＳｉを用いることが記載されており、これにより透過領域が赤外線領域である光学フィルタを実現している。 The other one is an optical filter using a dielectric multilayer film (see Patent Documents 2 to 4). The dielectric multilayer film has a structure in which two dielectrics having different refractive indexes are alternately and repeatedly laminated several times. By setting the thickness of each layer to a predetermined value, light having a desired wavelength is reflected or transmitted. be able to. Patent Documents 3 and 4 describe the use of Si as one of the dielectrics, thereby realizing an optical filter whose transmission region is an infrared region.
他の１つは、表面プラズモン共鳴を利用した光学フィルタである（特許文献５〜１０参照）。この光学フィルタは、周期的構造を有する金属層を有した構造であり、金属と誘電体との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用する。周期的構造の周期長を調整したり、ホールやドットの形状を工夫することによって、所望の透過域を得たり、プラズモン増強による透過率の向上が試みられている。 The other is an optical filter using surface plasmon resonance (see Patent Documents 5 to 10). This optical filter is a structure having a metal layer having a periodic structure, and utilizes surface plasmon resonance generated at the interface between the metal and the dielectric. Attempts have been made to obtain a desired transmission region by adjusting the period length of the periodic structure or to devise the shape of holes and dots, or to improve the transmittance by enhancing plasmons.
他の１つは、ＳｉＯ2 などの基板上にＳｉからなるドットを２次元周期的に配列した光学フィルタである（特許文献１１〜１３参照）。この光学フィルタは、ドットの大きさや周期長に依存する特定波長のみがドット部分を導波路として透過できるので、バンドパスフィルタとして動作する。 The other is an optical filter in which dots made of Si are two-dimensionally arranged on a substrate such as SiO 2 (see Patent Documents 11 to 13). This optical filter operates as a band pass filter because only a specific wavelength depending on the size and period length of the dot can pass through the dot portion as a waveguide.
しかし、特許文献１のような色素系材料を用いた光学フィルタは、紫外線により特性が劣化してしまうなど耐環境性が悪いという欠点がある。また、赤外線領域において特性のよい材料がない。 However, an optical filter using a pigment-based material as in Patent Document 1 has a drawback that its environmental resistance is poor, for example, characteristics are deteriorated by ultraviolet rays. There is no material with good characteristics in the infrared region.
また、特許文献２〜４のような誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、透過スペクトルの入射角依存性が大きく、入射角が大きくなると透過波長のピークが短波長側にシフトしてしまう問題がある。また、透過帯域を狭くするためには１０層以上積層させる必要があり、作製が容易でなく高コストである。 In addition, the optical filter using the dielectric multilayer film as described in Patent Documents 2 to 4 has a large incident angle dependency of the transmission spectrum, and the peak of the transmission wavelength shifts to the short wavelength side when the incident angle increases. There is. Further, in order to narrow the transmission band, it is necessary to stack ten layers or more, which is not easy to manufacture and is expensive.
また、特許文献５〜１０のような表面プラズモン共鳴を利用した光学フィルタは、透過率を高くしたり透過帯域を狭くしたりすることが難しい。また、入射角度によって透過波長が変化する問題もある。 Moreover, it is difficult for the optical filter using surface plasmon resonance like patent documents 5-10 to make a transmittance | permeability high or to narrow a transmission band. There is also a problem that the transmission wavelength varies depending on the incident angle.
また、特許文献１１〜１３のような周期構造を用いた光学フィルタは、光を垂直入射させる場合を前提としており、斜めに入射させる場合が考慮されていない。そのため、入射角依存性が特許文献１１〜１３の記載からは不明である。また、特許文献１１、１２では光の波長として可視光領域のみが考慮されており、赤外領域での動作が不明である。また、特許文献１３では近赤外領域での動作が不明である。 Moreover, the optical filter using a periodic structure like patent documents 11-13 presupposes the case where light enters perpendicularly, and the case where it injects diagonally is not considered. Therefore, the incident angle dependency is unknown from the descriptions in Patent Documents 11 to 13. In Patent Documents 11 and 12, only the visible light region is considered as the wavelength of light, and the operation in the infrared region is unknown. In Patent Document 13, the operation in the near-infrared region is unknown.
このように従来の光学フィルタでは、透過スペクトルの入射角依存性が小さく、耐環境性に優れ、安価に製造できるものを実現することが困難であった。 As described above, in the conventional optical filter, it is difficult to realize an optical filter that has a small incident angle dependency of a transmission spectrum, is excellent in environmental resistance, and can be manufactured at low cost.
そこで本発明の目的は、透過スペクトルの入射角依存性が小さい光学フィルタおよびその製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical filter having a small incident angle dependency of a transmission spectrum and a method for manufacturing the same.
本発明は、主面に対して設計入射角θで入射する光のうち、設計波長λの光を透過させる光学フィルタにおいて、設計波長λに対して透光性を有した材料からなる透過層と、透過層よりも屈折率が高く、設計波長λ近傍のある波長よりも短波長側、あるいは長波長側は吸収する材料からなり、透過層上にドットを２次元周期的に配列した周期構造体と、を有し、周期構造体の周期長Ｌは、ｍ１・（λ／ｎ１）、ここでｎ１は透過層の屈折率、ｍ１は１以上の整数、ドットの高さｈは、ｍ２・（λ／ｎ２）、ここでｎ２はドットの屈折率、ｍ２は１以上の整数、ドットの幅Ｗは、周期長Ｌの１／２、であることを特徴とする光学フィルタである。 The present invention relates to an optical filter that transmits light having a design wavelength λ among light incident at a design incident angle θ with respect to the main surface, and a transmission layer made of a material having translucency with respect to the design wavelength λ. A periodic structure in which the refractive index is higher than that of the transmission layer and is made of a material that absorbs light on the shorter wavelength side or longer wavelength side than a certain wavelength in the vicinity of the design wavelength λ. The periodic length L of the periodic structure is m1 · (λ / n1), where n1 is the refractive index of the transmission layer, m1 is an integer of 1 or more, and the dot height h is m2 · ( λ / n2), where n2 is the refractive index of the dot, m2 is an integer of 1 or more, and the dot width W is 1/2 of the period length L.
本発明における屈折率は、設計波長λにおける複素屈折率の実部の値を意味する。また、設計入射角θは、光学フィルタの主面に対する角度であり、入射面に対して垂直方向に入射する角度を０°として定義する。 The refractive index in the present invention means the value of the real part of the complex refractive index at the design wavelength λ. In addition, the design incident angle θ is an angle with respect to the main surface of the optical filter, and the angle incident in the direction perpendicular to the incident surface is defined as 0 °.
基板は、設計波長λにおいて透光性を有し、ドットよりも屈折率の低い任意の材料を用いることができる。たとえば、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、ＭｇＦ2 、ＣａＦ2 、ＬｉＦ、ＺｎＳなどを用いることができる。基板の屈折率とドットの屈折率の差は、２以上とすることが望ましい。屈折率差が大きいほど光学フィルタの特性が向上するためである。 As the substrate, any material having translucency at the design wavelength λ and having a refractive index lower than that of the dots can be used. For example, it is possible to SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 2, MgF 2, CaF 2, LiF, ZnS or the like is used. The difference between the refractive index of the substrate and the refractive index of the dots is preferably 2 or more. This is because the larger the refractive index difference, the better the characteristics of the optical filter.
周期構造体における２次元周期的なドットの配列とは、平面を周期的に単位構造で充填する場合に各単位構造中にドットを配置した構成である。たとえば、三角格子状、正方格子状、あるいは六方格子などである。また、周期構造体の周期長Ｌとは、あるドットから隣接する最も距離の近いドットへ向かう方向における周期長を意味する。 The two-dimensional periodic dot arrangement in the periodic structure is a configuration in which dots are arranged in each unit structure when the plane is periodically filled with the unit structure. For example, a triangular lattice, a square lattice, a hexagonal lattice, or the like. Further, the periodic length L of the periodic structure means a periodic length in a direction from a certain dot to an adjacent dot having the closest distance.
ドットの平面視での形状は任意の形状でよいが、対称性の高い形状とすることが光学フィルタの特性向上のため望ましい。たとえば、正三角形、正方形、正六角形、円などである。それらの角の一部ないし全部が丸まった図形であってもよいし、それらの辺の一部ないし全部がゆるやかに湾曲している図形であってもよい。また、ドットの立体形状は、角柱、角錐、角錐台、円柱、円錐、円錐台などの形状であってもよい。 The shape of the dots in plan view may be any shape, but a highly symmetric shape is desirable for improving the characteristics of the optical filter. For example, regular triangles, squares, regular hexagons, circles, and the like. The figure may be a figure in which some or all of the corners are rounded, or a figure in which some or all of the sides are gently curved. The three-dimensional shape of the dots may be a shape such as a prism, a pyramid, a truncated pyramid, a cylinder, a cone, or a truncated cone.
ドットの材料は、設計波長λ近傍のある波長よりも短波長側、あるいは長波長側は吸収する材料であれば任意の材料を用いることができる。設計波長λ近傍のある波長とは、たとえば０．７５λから１．２５λの範囲の波長である。具体的には半導体材料を用いることができ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳ、Ｓｂ2 Ｓ3 、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅなどを用いることができる。半導体には不純物をドープとして吸収端を制御してもよい。 As the material of the dots, any material can be used as long as it absorbs on the shorter wavelength side or longer wavelength side than a certain wavelength near the design wavelength λ. The certain wavelength in the vicinity of the design wavelength λ is, for example, a wavelength in the range of 0.75λ to 1.25λ. Specifically, a semiconductor material can be used, and Si, Ge, CdS, Sb 2 S 3 , ZnSe, CdTe, or the like can be used. The semiconductor may be doped with impurities to control the absorption edge.
周期長Ｌは、λ／ｎ１の整数倍とする。特に周期長Ｌをλ／ｎ１とすることが簡易で光学フィルタの特性上も望ましい。ドットの幅Ｗは、周期長Ｌの１／２とする。このようにすることで設計波長λの設定が容易となる。ドットの高さｈは、λ／ｎ２の整数倍とする。特にλ／ｎ２とすることが簡易で光学フィルタの特性上も望ましい。ドットの高さｈは、設計入射角θに応じて設定してもよく、（λ／ｎ２）・ｃｏｓθの整数倍とすることができる。これにより、設計入射角θにおける設計波長λの光の透過率を向上させることができる。特に（λ／ｎ２）・ｃｏｓθとするのが簡易で望ましい。 The cycle length L is an integral multiple of λ / n1. In particular, the period length L is preferably λ / n1, which is desirable in terms of the characteristics of the optical filter. The dot width W is ½ of the period length L. In this way, setting of the design wavelength λ becomes easy. The dot height h is an integral multiple of λ / n2. In particular, λ / n2 is simple and desirable from the viewpoint of the characteristics of the optical filter. The dot height h may be set according to the design incident angle θ, and may be an integral multiple of (λ / n2) · cos θ. Thereby, the transmittance of the light having the design wavelength λ at the design incident angle θ can be improved. In particular, (λ / n2) · cos θ is desirable because it is simple.
なお、周期長Ｌ、ドットの幅Ｗ、高さｈは、上記の値に限るものではなく、本発明の光学フィルタの特性を発揮させることができる範囲で上記値からずれた値であってよい。たとえば１０％程度の誤差は許容される。 The period length L, the dot width W, and the height h are not limited to the above values, and may be values deviated from the above values as long as the characteristics of the optical filter of the present invention can be exhibited. . For example, an error of about 10% is allowed.
設計波長λは、可視光から赤外領域までの任意の波長でよいが、０．７〜２μｍの範囲内とするのが望ましく、設計入射角θは４０〜６０°の範囲内とすることが望ましい。このような範囲では、簡易かつ入射角度依存性の小さな光学フィルタが従来実現されていなかったためである。また、本発明では、設計波長λ０．７〜２μｍにおいて、入射角度を４０°〜６０°に変化させたときに透過ピークのシフトが１０ｎｍ以下の非常に入射角依存性が小さな光学フィルタを実現することができる。 The design wavelength λ may be any wavelength from the visible light to the infrared region, but is preferably in the range of 0.7 to 2 μm, and the design incident angle θ is in the range of 40 to 60 °. desirable. This is because, within such a range, a simple optical filter having a small incident angle dependency has not been realized. Further, the present invention realizes an optical filter having a very small incident angle dependency with a transmission peak shift of 10 nm or less when the incident angle is changed from 40 ° to 60 ° at the design wavelength λ0.7-2 μm. be able to.
本発明の光学フィルタは、基板裏面側と周期構造体表面側のどちら側から光を入射させても動作させることができる。 The optical filter of the present invention can be operated regardless of whether light is incident from the back side of the substrate or the front side of the periodic structure.
周期構造体を覆うようにして基板と同一の屈折率からなるキャップ層を設けることが望ましい。周期構造体を物理的・化学的なダメージなどから保護して耐環境性を高めることができる。また、周期構造体とキャップ層との間の伝搬モードが効率的に結合して透過率を向上させることができる。特にキャップ層の材料を基板と同一とすることが簡便で望ましい。 It is desirable to provide a cap layer having the same refractive index as the substrate so as to cover the periodic structure. The periodic structure can be protected from physical and chemical damage and the environmental resistance can be improved. In addition, the transmission mode between the periodic structure and the cap layer can be efficiently coupled to improve the transmittance. In particular, it is desirable for the cap layer material to be the same as that of the substrate.
本発明によれば、簡単な構成により入射角依存性の小さなバンドパスフィルタを構成することができる。本発明は特に近赤外光のバンドパスフィルタとして有用であり、赤外線センサーの窓に本発明の光学フィルタを用いることでセンサのＳＮ比を向上させることができる。また、本発明の光学フィルタはドットの高さで設計入射角θを容易に設定することができ、設計入射角θにおける透過率を最適化することができる。 According to the present invention, a bandpass filter having a small incident angle dependency can be configured with a simple configuration. The present invention is particularly useful as a band-pass filter for near-infrared light, and the S / N ratio of the sensor can be improved by using the optical filter of the present invention for the window of the infrared sensor. The optical filter of the present invention can easily set the design incident angle θ according to the height of the dots, and can optimize the transmittance at the design incident angle θ.
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples.
図１は、実施例１の光学フィルタの構成を示した断面図であり、図２はその平面図である。図１のように、実施例１の光学フィルタは、基板１０と、基板１０上に位置する周期構造体１１と、周期構造体１１上に位置し、前記周期構造体１１を封止するキャップ層１２と、を有している。実施例１の光学フィルタは、設計入射角θ（＝４０°）で入射する光のうち設計波長λ（＝９００ｎｍ）の波長成分を透過させ、他の波長帯は透過させないバンドパスフィルタとして動作する。なお、入射角度は、基板１０主面に垂直な方向と光の入射方向との成す角であり、入射面に対して垂直方向に入射する角度を０°として定義する。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical filter of Example 1, and FIG. 2 is a plan view thereof. As shown in FIG. 1, the optical filter of Example 1 includes a substrate 10, a periodic structure 11 positioned on the substrate 10, and a cap layer positioned on the periodic structure 11 and sealing the periodic structure 11. 12. The optical filter of Example 1 operates as a band-pass filter that transmits a wavelength component of the design wavelength λ (= 900 nm) out of light incident at a design incident angle θ (= 40 °) and does not transmit other wavelength bands. . The incident angle is an angle formed between a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10 and a light incident direction, and the angle incident in the direction perpendicular to the incident surface is defined as 0 °.
基板１０は、厚さ２μｍのＳｉＯ2 からなる。他にも光学フィルタの設計波長λにおいて透光性（たとえば８０％以上の透過率）を有した任意の材料を用いることができる。たとえば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、ＭｇＦ2 、ＣａＦ2 、ＬｉＦ、ＺｎＳなどを設計波長λに応じて用いることができる。 The substrate 10 is made of SiO 2 having a thickness of 2 μm. In addition, any material having translucency (for example, transmittance of 80% or more) at the design wavelength λ of the optical filter can be used. For example, Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgF 2 , CaF 2 , LiF, ZnS, etc. can be used according to the design wavelength λ.
周期構造体１１は、Ｓｉからなる複数のドット１１ａが、基板１０上に正方格子状に配列された構造である。ドット１１ａ間の領域１１ｂは、キャップ層１２によって埋められている。キャップ層１２に替えて、ドット１１ａよりも屈折率の低い材料によって埋めてもよい。 The periodic structure 11 has a structure in which a plurality of dots 11 a made of Si are arranged in a square lattice pattern on the substrate 10. A region 11 b between the dots 11 a is filled with the cap layer 12. Instead of the cap layer 12, the cap layer 12 may be filled with a material having a refractive index lower than that of the dots 11a.
ドット１１ａは、アモルファスのＳｉからなる。Ｓｉ以外にも、基板１０よりも屈折率が高く、かつ、設計波長λ近傍のある波長より短波長側あるいは長波長側において吸収（望ましくは透過率が２０％以下、さらに望ましくは１０％以下）する材料であれば任意の材料を用いることができる。吸収する帯域以外の帯域ではなるべく透過率が高い材料が好ましい。設計波長λ近傍とは、たとえば０．７５λから１．２５λの範囲である。Ｓｉは１．１μｍ以下の波長帯域の光を吸収し透過率０％であるから、確かに設計波長λ（＝９００ｎｍ）の近傍の１．１μｍより短波長側を吸収する材料であり、この条件を満たしている。Ｓｉ以外の具体的な材料を挙げると、Ｇｅ、ＣｄＳ、Ｓｂ2 Ｓ3 、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、などの半導体材料であり、設計波長λに応じて用いることができる。不純物をドープすることにより吸収端を制御してもよい。 The dots 11a are made of amorphous Si. In addition to Si, the refractive index is higher than that of the substrate 10 and the light is absorbed on the short wavelength side or the long wavelength side from a certain wavelength near the design wavelength λ (preferably the transmittance is 20% or less, more preferably 10% or less). Any material can be used as long as it is a material to be used. In the band other than the band to absorb, a material having as high a transmittance as possible is preferable. The vicinity of the design wavelength λ is, for example, a range from 0.75λ to 1.25λ. Since Si absorbs light in a wavelength band of 1.1 μm or less and has a transmittance of 0%, it is a material that surely absorbs a wavelength shorter than 1.1 μm near the design wavelength λ (= 900 nm). Meet. Specific materials other than Si are semiconductor materials such as Ge, CdS, Sb 2 S 3 , ZnSe, CdTe, and CdS, and can be used according to the design wavelength λ. The absorption edge may be controlled by doping impurities.
ドット１１ａは、アモルファスに限らず、多結晶あるいは結晶の材料であってもよい。また、基板１０とドット１１ａの屈折率差はなるべく大きいことが望ましく、たとえば２以上の屈折率差が望ましい。屈折率差が大きいほど光学フィルタの透過スペクトルの入射角依存性が低減されるためである。 The dots 11a are not limited to amorphous but may be polycrystalline or crystalline material. The difference in refractive index between the substrate 10 and the dot 11a is preferably as large as possible, and for example, a refractive index difference of 2 or more is desirable. This is because as the refractive index difference increases, the incident angle dependency of the transmission spectrum of the optical filter is reduced.
ドット１１ａは正四角柱であり、平面視での形状は正方形である。その正方形の一辺の長さ（ドット１１ａの幅、正方格子の一辺の長さ）は３１０ｎｍである。また、隣接するドット１１ａの中心間の距離（周期長Ｌ）は６２０ｎｍであり、λ／ｎ１、ここでｎ１は基板１０の屈折率（ｎ１＝１．４５）、となっている。また、ドット１１ａの幅Ｗは周期長Ｌの１／２である。また、ドット１１ａの高さｈは１７０ｎｍであり、およそ（λ／ｎ２）・ｃｏｓθ、ここでｎ２はドット１１ａの屈折率（ｎ２＝３．４５）、となっている。周期長Ｌはλ／ｎ１の整数倍でもよく、ドット１１ａの高さｈは（λ／ｎ２）・ｃｏｓθの整数倍でもよい。 The dot 11a is a regular quadrangular prism, and the shape in plan view is a square. The length of one side of the square (the width of the dot 11a, the length of one side of the square lattice) is 310 nm. The distance between the centers of adjacent dots 11a (period length L) is 620 nm, and λ / n1, where n1 is the refractive index of the substrate 10 (n1 = 1.45). The width W of the dot 11a is ½ of the period length L. The height h of the dot 11a is 170 nm and is approximately (λ / n2) · cos θ, where n2 is the refractive index of the dot 11a (n2 = 3.45). The period length L may be an integral multiple of λ / n1, and the height h of the dot 11a may be an integral multiple of (λ / n2) · cos θ.
なお、実施例１ではドット１１ａの平面視での形状は正方形であるが、それ以外にも正三角形、正六角形、円などの図形であってよく、それらの角の一部、または全部が丸まった図形であってもよい。また、実施例１ではドット１１ａの立体形状は正四角柱であるが、角柱、角錐、角錐台、円柱、円錐、円錐台などの形状であってもよい。 In the first embodiment, the shape of the dot 11a in plan view is a square, but other shapes such as a regular triangle, a regular hexagon, and a circle may be used, and some or all of the corners may be rounded. It may be a figure. In the first embodiment, the three-dimensional shape of the dots 11a is a regular quadrangular prism, but may be a prism, a pyramid, a truncated pyramid, a cylinder, a cone, a truncated cone, or the like.
また、実施例１では、ドット１１ａは正方格子状に配列されているが、他の２次元周期的な配列であってもよい。ただし、偏光依存性を低減するためには三角格子、正方格子、六方格子などの回転対称性の高い配列とすることが望ましい。 In the first embodiment, the dots 11a are arranged in a square lattice shape, but may be another two-dimensional periodic arrangement. However, in order to reduce the polarization dependence, it is desirable to use an array with high rotational symmetry such as a triangular lattice, a square lattice, or a hexagonal lattice.
キャップ層１２はＳｉＯ2 からなり、周期構造体１１上に位置するとともにドット１１ａ間の領域１１ｂを埋めるように形成されている。各ドット１１ａは、キャップ層１２によって封止された格好となっている。キャップ層１２の厚さ（周期構造体１１上の領域）は、２．５μｍである。このようにキャップ層１２によって周期構造体１１を封止することで、周期構造体１１に対する物理的、化学的な影響を低減して耐環境性を高めている。また、キャップ層１２を基板１０と同一材料とすることで、設計波長λにおいてドット１１ａとキャップ層１２との間の伝搬モードが効率的に結合するため、実施例１の光学フィルタの透過率を向上させることができる。 The cap layer 12 is made of SiO 2 and is formed on the periodic structure 11 so as to fill the region 11b between the dots 11a. Each of the dots 11a is sealed with the cap layer 12. The cap layer 12 has a thickness (region on the periodic structure 11) of 2.5 μm. By sealing the periodic structure 11 with the cap layer 12 in this way, the physical and chemical influences on the periodic structure 11 are reduced and the environmental resistance is enhanced. In addition, since the cap layer 12 is made of the same material as the substrate 10, the propagation mode between the dots 11a and the cap layer 12 is efficiently coupled at the design wavelength λ. Can be improved.
なお、キャップ層１２はなくてもよいが、ドット１１ａが物理的、化学的にダメージを受ける可能性があるなど耐環境性が悪くなり、光学フィルタとしての特性が経時的に劣化してしまう可能性がある。また、キャップ層１２を設けないと周期構造体１１と空間との屈折率の違いによって光が反射してしまい透過率が悪化してしまう。それらの問題のため、基板１０と同一材料のキャップ層１２を設けることが望ましい。また、キャップ層１２がドット１１ａ間の領域１１ｂを埋めないようにし、領域１１ｂに透光性でドット１１ａよりも屈折率の低い他の材料で埋めるようにしてもよい。あるいは、領域１１ｂを空間領域としてもよい。 Although the cap layer 12 may not be provided, the environment resistance is deteriorated such that the dots 11a may be physically and chemically damaged, and the characteristics as an optical filter may be deteriorated with time. There is sex. Further, if the cap layer 12 is not provided, light is reflected due to the difference in refractive index between the periodic structure 11 and the space, and the transmittance is deteriorated. Because of these problems, it is desirable to provide the cap layer 12 made of the same material as the substrate 10. Alternatively, the cap layer 12 may not fill the region 11b between the dots 11a, and the region 11b may be filled with another material that is translucent and has a lower refractive index than the dot 11a. Alternatively, the region 11b may be a spatial region.
次に、実施例１の光学フィルタの製造方法について、図３を参照に説明する。 Next, the manufacturing method of the optical filter of Example 1 is demonstrated with reference to FIG.
まず、基板１０上にスパッタによってアモルファスシリコンからなるＳｉ膜１３を形成する（図３（ａ）参照）。次に、Ｓｉ膜１３上にポジ型のレジスト１４を塗布し、ＥＢ描画によってドットが正方格子状に配列されたパターンのマスクパターンを形成する（図３( ｂ））。レジスト１４のパターニングは、ナノインプリントなどの方法を用いることもできる。次に、レジスト１４をマスクとしてＳｉ膜１３をＩＣＰエッチングし、その後レジスト１４を除去することでＳｉ膜１３のパターニングを行う。これにより、基板１０上にＳｉからなるドット１１ａが正方格子状に配列された周期構造体１１が形成される（図３（ｃ））。Ｓｉ膜１３はウェットエッチングなどによってもパターニングすることができる。次に、周期構造体１１を覆うようにしてスパッタによりキャップ層１２を形成する。以上によって図１に示す実施例１の光学フィルタが作製される。なお、Ｓｉ膜１３やキャップ層１２の成膜はスパッタ法に限らず、真空蒸着法、ＣＶＤ法など、従来ＳｉやＳｉＯ2 の成膜方法として知られている任意の方法によって成膜してよい。 First, the Si film 13 made of amorphous silicon is formed on the substrate 10 by sputtering (see FIG. 3A). Next, a positive resist 14 is applied on the Si film 13 to form a mask pattern in which dots are arranged in a square lattice pattern by EB drawing (FIG. 3B). The patterning of the resist 14 can also use a method such as nanoimprinting. Next, the Si film 13 is subjected to ICP etching using the resist 14 as a mask, and then the resist 14 is removed to pattern the Si film 13. As a result, a periodic structure 11 in which dots 11a made of Si are arranged in a square lattice pattern on the substrate 10 is formed (FIG. 3C). The Si film 13 can also be patterned by wet etching or the like. Next, the cap layer 12 is formed by sputtering so as to cover the periodic structure 11. Thus, the optical filter of Example 1 shown in FIG. 1 is produced. The film formation of the Si film 13 and the cap layer 12 is not limited to the sputtering method, and may be performed by any method known as a conventional Si or SiO 2 film formation method, such as a vacuum evaporation method or a CVD method. .
このように、実施例１の光学フィルタは半導体プロセスをそのまま流用して作製することができるため、容易かつ低コストに製造することができる。 Thus, since the optical filter of Example 1 can be manufactured by diverting the semiconductor process as it is, it can be manufactured easily and at low cost.
次に、実施例１の光学フィルタの動作原理および効果について説明する。 Next, the operation principle and effect of the optical filter of Example 1 will be described.
実施例１の光学フィルタは、設計波長λに透過ピークを有するバンドパスフィルタ、すなわち設計波長帯では光を透過し、他の帯域では光を透過しないフィルタとして動作する。これは、設計波長λにおいて基板１０と周期構造体１１との間で伝搬モードが効率的に結合し、他の波長帯域では結合しないためである。設計波長λは、周期構造体１１の周期長Ｌと、ドット１１ａの幅Ｗの値によって決定することができる。実施例１の光学フィルタでは、ドット１１ａの幅Ｗを周期長Ｌの１／２としているため、周期長Ｌをλ／ｎ１に設定するのみで簡易に設計波長を設計することができる。なお、実施例１の光学フィルタは、光を基板１０裏面側から入射させてもよいし、キャップ層１２表面側から光を入射させてもよい。どちらから入射させた場合も同様の特性のバンドパスフィルタとして動作する。 The optical filter according to the first embodiment operates as a band-pass filter having a transmission peak at the design wavelength λ, that is, a filter that transmits light in the design wavelength band and does not transmit light in other bands. This is because the propagation mode is efficiently coupled between the substrate 10 and the periodic structure 11 at the design wavelength λ and is not coupled in other wavelength bands. The design wavelength λ can be determined by the value of the period length L of the periodic structure 11 and the width W of the dots 11a. In the optical filter of the first embodiment, the width W of the dot 11a is ½ of the period length L. Therefore, the design wavelength can be easily designed only by setting the period length L to λ / n1. In the optical filter of Example 1, light may be incident from the back side of the substrate 10 or light may be incident from the front surface side of the cap layer 12. In either case, it operates as a bandpass filter having similar characteristics.
また、実施例１の光学フィルタは入射角依存性が小さい。これは、ドット１１ａの材料として、波長１．１μｍ以下では吸収し、それより大きな波長では透過する材料であるＳｉを用いているためである。Ｓｉによる光の吸収には入射角依存性がなく、入射角度の増加に伴う透過ピークの短波長側へのシフトが、Ｓｉによる波長１．１μｍ以下の光の吸収によって抑制されるため、結果的に入射角依存性が低減される。 Further, the optical filter of Example 1 has a small incident angle dependency. This is because Si, which is a material that absorbs at a wavelength of 1.1 μm or less and transmits at a wavelength larger than that, is used as the material of the dots 11a. The absorption of light by Si has no dependency on the incident angle, and the shift of the transmission peak to the short wavelength side accompanying the increase in the incident angle is suppressed by the absorption of light having a wavelength of 1.1 μm or less by Si, resulting in The incident angle dependency is reduced.
また、実施例１の光学フィルタは、設計入射角θにおいて他の入射角度よりも透過率が高くなるように、ドット１１ａの高さｈを（λ／ｎ２）・ｃｏｓθに設定している。つまり、ドット１１ａ中の光学的距離が設計波長λｃｏｓθとなるように設定している。実施例１の光学フィルタの入射角依存性が小さいのは、Ｓｉによる短波長側の吸収によって入射角依存性を低減するものであるため、入射角度が大きくなるほど透過ピークにおける透過率が減少する。そこで上記のように設計入射角θに応じてドット１１ａの高さｈを設定することで、このような透過率の減少を抑制している。 In the optical filter of Example 1, the height h of the dot 11a is set to (λ / n2) · cos θ so that the transmittance is higher than the other incident angles at the designed incident angle θ. That is, the optical distance in the dot 11a is set to be the design wavelength λ cos θ. The reason why the dependency on the incident angle of the optical filter of Example 1 is small is that the dependency on the incident angle is reduced by absorption on the short wavelength side by Si. Therefore, the transmittance at the transmission peak decreases as the incident angle increases. Therefore, by setting the height h of the dots 11a according to the design incident angle θ as described above, such a decrease in transmittance is suppressed.
なお、周期長Ｌをλ／ｎ１の整数倍、ドット１１ａの高さｈを（λ／ｎ２）・ｃｏｓθの整数倍としても、上記と同様の効果を得ることができる。 The same effect as described above can be obtained by setting the period length L to an integral multiple of λ / n1 and the height h of the dot 11a to an integral multiple of (λ / n2) · cos θ.
また、実施例１の光学フィルタは、入射角依存性が小さいため、使用する入射角度に応じた設計をする必要性は従来の光学フィルタに比べて小さい。そこで、設計入射角θを０°、ドット１１ａの高さｈをλ／ｎ２の整数倍、特にλ／ｎ２として設定してもよい。 Moreover, since the optical filter of Example 1 has small incident angle dependence, the necessity for designing according to the incident angle to be used is small compared with the conventional optical filter. Therefore, the design incident angle θ may be set to 0 °, and the height h of the dot 11a may be set to an integral multiple of λ / n2, particularly λ / n2.
以上のように、実施例１の光学フィルタによれば、設計波長λに透過ピークを有し、設計入射角θにおける透過率が高く、入射角度依存性の小さなバンドパスフィルタを簡易に実現することができる。また、ドット１１ａの高さｈ、幅Ｗ、周期長Ｌによって容易に設計することができ、半導体プロセスを流用して容易に作製することができる。 As described above, according to the optical filter of the first embodiment, a bandpass filter having a transmission peak at the design wavelength λ, a high transmittance at the design incident angle θ, and a small incident angle dependency can be easily realized. Can do. Further, the dot 11a can be easily designed by the height h, the width W, and the period length L, and can be easily manufactured by using a semiconductor process.
次に、各種シミュレーション結果、実験結果を説明する。 Next, various simulation results and experimental results will be described.
図４は、シミュレーションによって実施例１の光学フィルタの透過スペクトルを算出した結果を示したグラフである。光は基板１０裏面側から入射させ、周期長Ｌは６００ｎｍ、ドット１１ａの幅Ｗは３００ｎｍ、高さｈは１８０ｎｍとした。また、入射角度は０°、４０°、５０°、６０°とした。設計波長λは８７０ｎｍ、設計入射角θは４４°である。 FIG. 4 is a graph showing the result of calculating the transmission spectrum of the optical filter of Example 1 by simulation. The light was incident from the back side of the substrate 10, the periodic length L was 600 nm, the width W of the dots 11a was 300 nm, and the height h was 180 nm. The incident angles were 0 °, 40 °, 50 °, and 60 °. The design wavelength λ is 870 nm, and the design incident angle θ is 44 °.
図４のように、実施例１の光学フィルタは、設計波長λである８７０ｎｍ付近に透過ピークを有したバンドパスフィルタとして動作していることがわかる。すなわち、８７０ｎｍにおいては基板１０とドット１１ａとの間、およびドット１１ａとキャップ層１２との間で伝搬モードが効率的に結合していて光を透過するのに対し、他の波長帯域では結合が生じず、光が反射・吸収されて透過しないため、８７０ｎｍ付近に透過ピークを有し、半値幅が２０〜６０ｎｍ程度のバンドパスフィルタとして動作している。 As can be seen from FIG. 4, the optical filter of Example 1 operates as a bandpass filter having a transmission peak near the design wavelength λ of 870 nm. That is, at 870 nm, the propagation mode is efficiently coupled between the substrate 10 and the dot 11a and between the dot 11a and the cap layer 12, and light is transmitted. It does not occur and light is reflected / absorbed and does not pass through, so that it operates as a bandpass filter having a transmission peak near 870 nm and a half-value width of about 20 to 60 nm.
また、図４から、入射角度を４０°から６０°に変化させた場合に、透過ピークは短波長側へシフトし、そのシフト量はおよそ１０ｎｍであった。入射角依存性が非常に小さいことがわかる。また、透過ピークの半値幅も入射角度が大きくなるにつれて６０ｎｍから２０ｎｍに減少していることがわかる。また、透過ピークにおける透過率も、入射角度が大きくなるにつれて減少することがわかる。 From FIG. 4, when the incident angle was changed from 40 ° to 60 °, the transmission peak shifted to the short wavelength side, and the shift amount was about 10 nm. It can be seen that the incident angle dependency is very small. It can also be seen that the half width of the transmission peak also decreases from 60 nm to 20 nm as the incident angle increases. It can also be seen that the transmittance at the transmission peak also decreases as the incident angle increases.
図５は、実施例１の光学フィルタに光が入射している場合における電界分布を示した図である。この電界分布は、入射角度が０°、５０°で波長が７８０ｎｍ、９００ｎｍの場合であって、周期長Ｌ、ドット１１ａの幅Ｗ、高さｈは図４の場合と同様の場合をシミュレーションによって算出した。図５中、ｚ軸方向は基板１０主面に垂直な方向、ｘ軸方向はドット１１ａの平面形状である正方形の一辺に平行な方向である。また、図中では周期構造体１１の単位構造部分のみを示している。 FIG. 5 is a diagram illustrating an electric field distribution when light is incident on the optical filter according to the first embodiment. This electric field distribution is obtained when the incident angle is 0 °, 50 °, and the wavelengths are 780 nm and 900 nm. The period length L, the width W of the dot 11a, and the height h are the same as in FIG. Calculated. In FIG. 5, the z-axis direction is a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10, and the x-axis direction is a direction parallel to one side of the square that is the planar shape of the dots 11 a. In the drawing, only the unit structure portion of the periodic structure 11 is shown.
図５（ａ）のように、波長７８０ｎｍ、入射角度０°の場合、ドット１１ａ中の電界強度は低く、基板１０とドット１１ａとの間で電界強度が連続しておらず、基板１０からドット１１ａへ伝搬モードの結合が生じていないことがわかる。そのため、波長７８０ｎｍの光は反射・吸収され、ほとんど透過しない。 As shown in FIG. 5A, when the wavelength is 780 nm and the incident angle is 0 °, the electric field strength in the dot 11a is low, and the electric field strength is not continuous between the substrate 10 and the dot 11a. It can be seen that there is no propagation mode coupling to 11a. Therefore, light with a wavelength of 780 nm is reflected and absorbed and hardly transmitted.
また、図５（ｃ）のように、波長７８０ｎｍ、入射角度４０°の場合も、伝搬モードの結合が生じておらず、７８０ｎｍの光は実施例１の光学フィルタをほとんど透過しない。 Further, as shown in FIG. 5C, even when the wavelength is 780 nm and the incident angle is 40 °, the propagation mode coupling does not occur, and the light of 780 nm hardly transmits the optical filter of the first embodiment.
一方、図５（ｂ）のように、波長９００ｎｍ、入射角度０°の場合、基板１０とドット１１ａとの間で電界強度が連続して分布し、ドット１１ａとキャップ層１２との間でも電界強度が連続して分布していることがわかる。つまり、基板１０とドット１１ａとの間、およびドット１１ａとキャップ層１２との間で伝搬モードが効率的に結合していることがわかる。その結果、波長９００ｎｍの光は実施例１の光学フィルタをほとんど透過することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the wavelength is 900 nm and the incident angle is 0 °, the electric field strength is continuously distributed between the substrate 10 and the dots 11a, and the electric field is also generated between the dots 11a and the cap layer 12. It can be seen that the intensity is continuously distributed. That is, it can be seen that the propagation modes are efficiently coupled between the substrate 10 and the dots 11 a and between the dots 11 a and the cap layer 12. As a result, light with a wavelength of 900 nm can be almost transmitted through the optical filter of Example 1.
また、図５（ｄ）のように、波長９００ｎｍ、入射角度４０°の場合も、基板１０とドット１１ａとの間、およびドット１１ａとキャップ層１２との間で伝搬モードが効率的に結合しており、９００ｎｍの光は実施例１の光学フィルタをおよそ透過することができている。 Further, as shown in FIG. 5D, even when the wavelength is 900 nm and the incident angle is 40 °, the propagation modes are efficiently coupled between the substrate 10 and the dots 11a and between the dots 11a and the cap layer 12. The light of 900 nm can be substantially transmitted through the optical filter of Example 1.
このように、図５（ａ）〜（ｄ）から、実施例１の光学フィルタは、所定の周期長Ｌ、ドット１１ａの幅Ｗ、高さｈにおいて、基板１０と周期構造体１１との間の伝搬モードが効率的に結合することで、バンドパスフィルタとして動作していることがわかる。 As described above, from FIGS. 5A to 5D, the optical filter of Example 1 has a predetermined period length L, a width W of the dot 11 a, and a height h between the substrate 10 and the periodic structure 11. It can be seen that the two propagation modes are effectively coupled to operate as a bandpass filter.
図６は、ドット１１ａの数が１０×１０の実施例１の光学フィルタを実際に作製し、透過率を測定した場合の透過スペクトルを示したグラフである。周期長Ｌ、ドット１１ａの幅Ｗ、高さｈ、入射角度は図４と同様である。 FIG. 6 is a graph showing a transmission spectrum when the optical filter of Example 1 in which the number of dots 11a is 10 × 10 is actually manufactured and the transmittance is measured. The period length L, the width W, the height h, and the incident angle of the dots 11a are the same as those in FIG.
図６のように、測定結果は図４のシミュレーションとおよそ一致していることがわかる。すなわち、設計波長λである８７０ｎｍ付近に透過ピークを有したバンドパスフィルタとして動作していることがわかる。透過ピークの半値幅は、４０°で１００ｎｍ、５０°で９０ｎｍ、６０°で７０ｎｍである。また、図４と同様に、入射角度を４０°から６０°に変化させた場合に、透過ピークは短波長側へシフトしていた。そのシフト量はおよそ５ｎｍであった。入射角依存性が非常に小さいことがわかる。また、透過ピークの半値幅も入射角度が大きくなるにつれて１００ｎｍから６０ｎｍに減少していることがわかる。また、透過ピークにおける透過率も、入射角度が大きくなるにつれて減少していることがわかる。 As shown in FIG. 6, it can be seen that the measurement result is approximately the same as the simulation of FIG. 4. That is, it can be seen that the filter operates as a bandpass filter having a transmission peak in the vicinity of 870 nm which is the design wavelength λ. The half width of the transmission peak is 100 nm at 40 °, 90 nm at 50 °, and 70 nm at 60 °. Similarly to FIG. 4, when the incident angle was changed from 40 ° to 60 °, the transmission peak was shifted to the short wavelength side. The shift amount was about 5 nm. It can be seen that the incident angle dependency is very small. It can also be seen that the half width of the transmission peak also decreases from 100 nm to 60 nm as the incident angle increases. It can also be seen that the transmittance at the transmission peak also decreases as the incident angle increases.
図７は、実施例１の光学フィルタについて、入射角度を４０°に固定してドット１１ａの高さｈを変化させた場合の透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示した図である。高さｈは１５０ｎｍから２１０ｎｍまで１０ｎｍ刻みで変化させた。他の条件は図４の場合と同様である。 FIG. 7 is a diagram illustrating a result of calculating a transmission spectrum by simulation when the incident angle is fixed at 40 ° and the height h of the dot 11a is changed with respect to the optical filter of the first embodiment. The height h was changed from 150 nm to 210 nm in increments of 10 nm. Other conditions are the same as in FIG.
図７のように、高さｈが小さくなるにつれて透過スペクトルのピークは短波長側へとシフトしていることがわかる。また、透過ピークでの透過率は高さｈが１８０ｎｍのときが最も高かった。高さｈが１５０ｎｍから１８０ｎｍまでは、その透過ピークでの透過率は、５２％から７９％まで単調に増加し、１８０ｎｍから２１０ｎｍまでは７９％から５３％まで単調に減少していた。 As shown in FIG. 7, it can be seen that the peak of the transmission spectrum shifts to the short wavelength side as the height h decreases. Further, the transmittance at the transmission peak was highest when the height h was 180 nm. When the height h was from 150 nm to 180 nm, the transmittance at the transmission peak monotonously increased from 52% to 79%, and from 180 nm to 210 nm monotonously decreased from 79% to 53%.
この図７の結果から、ドット１１ａの高さｈを制御することによって、透過ピークでの透過率が最も高くなるように透過スペクトルを最適化することが可能であるとわかった。すなわち、設計入射角度θを決めた場合に、その設計入射角度θにおいて透過ピークでの透過率が最大となるように設計するには、ドット１１ａの高さｈの設計により可能であることがわかった。 From the results shown in FIG. 7, it was found that the transmission spectrum can be optimized so that the transmittance at the transmission peak becomes the highest by controlling the height h of the dots 11a. That is, when the design incident angle θ is determined, it can be understood that the design of the height h of the dot 11a is possible in order to design the transmittance at the transmission peak to be maximum at the design incident angle θ. It was.
なお、実施例１では、基板１０上に１つの周期構造体１１を設けているが、基板上の別々の領域に、互いにドットの幅Ｗ、高さｈや周期長Ｌの異なる２つの周期構造体１１を設けてもよい。これにより、異なる設計波長λ、設計入射角θのバンドパスフィルタが同一面上に形成された光学フィルタを実現することができる。もちろん、基板上の３以上の領域に、異なる構造の３以上の周期構造体１１をそれぞれ設けてもよい。 In Example 1, one periodic structure 11 is provided on the substrate 10, but two periodic structures having different dot widths W, heights h, and periodic lengths L in different regions on the substrate. The body 11 may be provided. Thereby, it is possible to realize an optical filter in which band-pass filters having different design wavelengths λ and design incident angles θ are formed on the same surface. Of course, three or more periodic structures 11 having different structures may be provided in three or more regions on the substrate, respectively.
また、実施例１では基板１０の一方の表面に周期構造体１１を設けているが、両面に周期構造体１１を設けてもよい。 In Example 1, the periodic structure 11 is provided on one surface of the substrate 10, but the periodic structure 11 may be provided on both surfaces.
本発明の光学フィルタは、光学センサのＳＮ比向上などに利用することができる。 The optical filter of the present invention can be used for improving the SN ratio of an optical sensor.
１０：基板
１１：周期構造体
１１ａ：ドット
１２：キャップ層
10: Substrate 11: Periodic structure 11a: Dot 12: Cap layer
Claims (11)
前記設計波長λに対して透光性を有した材料からなる透過層と、
前記透過層よりも屈折率が高く、前記設計波長λ近傍のある波長よりも短波長側、あるいは長波長側は吸収する材料からなり、前記透過層上にドットを２次元周期的に配列した周期構造体と、を有し、
前記周期構造体の周期長Ｌは、ｍ１・（λ／ｎ１）、ここでｎ１は透過層の屈折率、ｍ１は１以上の整数、
前記ドットの高さｈは、ｍ２・（λ／ｎ２）、ここでｎ２はドットの屈折率、ｍ２は１以上の整数、
前記ドットの幅Ｗは、前記周期長Ｌの１／２、である、
ことを特徴とする光学フィルタ。 In the optical filter that transmits the light of the design wavelength λ among the light incident on the main surface at the design incident angle θ,
A transmission layer made of a material having translucency with respect to the design wavelength λ,
The refractive index is higher than that of the transmission layer, and a wavelength shorter than a certain wavelength in the vicinity of the design wavelength λ or a longer wavelength side is made of a material that absorbs, and a period in which dots are periodically arranged on the transmission layer. A structure,
The periodic length L of the periodic structure is m1 · (λ / n1), where n1 is the refractive index of the transmission layer, m1 is an integer of 1 or more,
The dot height h is m2 · (λ / n2), where n2 is the refractive index of the dot, m2 is an integer of 1 or more,
The dot width W is ½ of the period length L.
An optical filter characterized by the above.
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