Моделювання нерівнотовщинних багатошарових структур для селективних оптичних фільтрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 535.345.67

Моделювання нерівнотовщинних багатошарових структур для селективних оптичних фільтрів

05.12.20 - оптоелектронні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Яремчук Ірина Ярославівна

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фотоніки Національного університету "Львівська політехніка"

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Бобицький Ярослав Васильович,

Національний університет "Львівська політехніка",

завідувач кафедри фотоніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Первак Юрій Олександрович,

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка

професор кафедри напівпровідникової електроніки

доктор фізико-математичних наук, професор

Клюй Микола Іванович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України

провідний науковий співробітник

Захист відбудеться „24” жовтня 2008 р. о 16¹⁵ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 41, Київ, 03028.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України за адресою: проспект Науки, 45, Київ, 03028.

Автореферат розісланий „_18_” __вересня_ 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор фізико-математичних наук, професор Іщенко С.С.

фільтр оптичний нерівнотовщинний інтерференційний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Оптика тонкоплівкових шарів - розділ прикладної оптики, який за останні роки набув швидкого розвитку, оскільки вивчення оптичних властивостей тонкоплівкових інтерференційних багатошарових систем має важливе значення як для фундаментальних, так і для прикладних задач. Крім широкого використання в оптичних пристроях (інтерференційні дзеркала, різноманітні інтерференційні та поглинальні фільтри, просвітлювальні покриття, захисні покриття) тонкоплівкові системи активно застосовуються в галузях електроніки, біоелектроніки, медицині та телекомунікаціях.

Інтерференційні тонкоплівкові фільтри в сучасній оптичній техніці є надзвичайно важливими і водночас критичними елементами, які часто визначають ефективність апаратури в цілому. Тому постійно зростають вимоги щодо їх характеристичних параметрів. З іншого боку ці вимоги мають бути забезпечені виробничими можливостями та існуючими технологіями виготовлення покриттів. Першочерговим завданням розробників залишається забезпечення максимальної селективності та експлуатаційної надійності таких фільтрів при використанні мінімальної кількості тонкоплівкових шарів в структурах.

Як відомо, найбільшого поширення набули діелектричні багатошарові тонкоплівкові системи з шарами оптичної товщини кратними л/4, за структурою подібні до еталону Фабрі-Перо. Це в основному системи, які містять шари двох різних матеріалів з високим і низьким показниками заломлення, що чергуються. Часто також використовуються структури, що складаються з декількох різних матеріалів, оскільки, коли виникає необхідність придушення побічних смуг пропускання, то багатошарові системи з шарами рівної товщини двох різних матеріалів практично не дозволяють вирішити цієї задачі.

У зв'язку з цим особливого інтересу заслуговують плівкові структури з шарами не однакової товщини та металодіелектричні системи. В таких структурах прогнозується досягнення кращих параметрів при суттєво спрощеному конструктиві - зменшенні кількості шарів.

Тому створення методів теоретичного аналізу багатошарових нерівнотовщинних структур і моделювання реальних інтерференційних систем будь-якої складності з наперед заданими параметрами є вкрай актуальним завданням з точки зору виготовлення сучасних оптичних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до планів наукової діяльності кафедри фотоніки в Інституті телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету „Львівська політехніка”, в рамках договорів про науково-технічну співпрацю та держбюджетних тем. Автор брала участь у виконанні таких проектів:

– держбюджетна тема „Моделювання пристроїв оптоелектроніки та радіотехніки з періодичними структурами та прогнозування їх характеристик” (держреєстрація №0104U002313, 2003-2005 рр.)

– проект № Ф25.2/017“Архітектоніка і властивості періодичних структур для потреб сучасної фотоніки” Державного Фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти і науки України (держреєстрація № 0107U009400, 2007-2008 рр.)

– науково-дослідна робота РК-ФОТ-06 „Поширення електромагнітних хвиль в багатошарових структурах” (держреєстрація №0107U009024, 2007-2008 рр.)

– держбюджетна тема „Дослідження матеріалів, елементів та розробка пристроїв для оптичних інфокомунікаційних систем” (держреєстрація №0108U000383, 2008 р.)

Мета і завдання досліджень. Робота присвячена моделюванню оптичних фільтрів на основі інтерференційних тонкоплівкових багатошарових нерівнотовщинних структур та аналізу їх спектральних характеристик. Основною метою роботи є пошук нових конструкцій інтерференційних фільтрів, встановлення зв'язку між параметрами структурних елементів фільтрів та їх оптичними характеристиками.

Основні завдання досліджень, які стояли при реалізації поставленої мети:

– моделювання нових інтерференційних багатошарових нерівнотовщинних структур для оптичних селективних фільтрів в інфрачервоній та видимій областях спектра;

– вибір оптимальної товщини окремих шарів в структурах при моделюванні інтерференційних тонкоплівкових фільтрів з заданими спектральними характеристиками;

– аналіз зв'язку оптичних і геометричних параметрів структурних елементів в багатошаровій системі з її спектральними характеристиками (коефіцієнтів пропускання, відбивання та поглинання);

– дослідження впливу дисипативних втрат в шарах тонкоплівкових структур на їх оптичні характеристики;

– узагальнення отриманих результатів і розробка нових конструкцій інтерференційних фільтрів.

Об'єкт дослідження - багатошарові інтерференційні тонкоплівкові фільтри.

Предмет дослідження - спектральні характеристики інтерференційних тонкоплівкових багатошарових фільтрів.

Методи дослідження - для розв'язання поставлених задач та досягнення кінцевої мети дисертаційної роботи використовувались наступні методи:

– систематичний аналіз і узагальнення літературних даних;

– точний матричний метод аналізу взаємодії середовище - електромагнітна хвиля;

– машинне моделювання конструкцій інтерфренційних тонкоплівкових селективних фільтрів.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розвинуто поняття вказівної функції, яка введена в теорії одновимірних фотонних кристалів і показано, що її можна ефективно використати для прогнозування області високого пропускання (відбивання) в смугових багатошарових періодичних інтерференційних фільтрах; встановлено, що з допомогою вказівної функції можна визначати параметри шарів структури, які формують бажану спектральну характеристику.

2. Вперше показано, що на основі інтерференційних систем з тришаровим періодом (шари нерівної товщини двох різних матеріалів з високим та низьким показниками заломлення) можна синтезувати інтерференційні фільтри, в яких досягається бажана спектральна характеристика при меншій кількості шарів в порівнянні з кількістю шарів у відомих багатошарових структурах.

3. Вперше показано, що на основі п'ятишарової інтерференційної системи типу АБАБА (А, Б - шари двох різних матеріалів з високим та низьким показниками заломлення, відповідно), в якій третій діелектричний шар має відносно велику товщину, можна синтезувати вузькосмугові оптичні фільтри.

4. Вперше встановлено аналітичний зв'язок між товщинами шарів та показником заломлення матеріалів для синтезу фільтра, який складається з інтерференційного дзеркала, обмеженого шарами діелектриків з високим показником заломлення.

Практичне значення одержаних результатів На основі проведених досліджень запропоновано нові моделі інтерференційних тонкоплівкових фільтрів, структури яких є достатньо технологічними завдяки малій кількості шарів. Запропоновані структури дозволяють розв'язати обернену задачу синтезу інтерференційних фільтрів шляхом модифікації товщин окремих шарів, а також реконструкцію фільтрів за їх характеристиками. Отримані результати служать базою для подальших теоретичних досліджень і створюють наукове підґрунтя для проектування та виготовлення оптичних фільтрів нового типу.

Результати дисертаційної роботи використані в держбюджетній НДР ДБ/ОІНФ та на НВО „Полярон”, м. Львів.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації, полягає в моделюванні та дослідженні багатошарових нерівнотовщинних структур для тонкоплівкових інтерференційних фільтрів нового типу. Аналіз отриманих результатів авторка виконувала у співавторстві відповідно до поданого списку публікацій. Підготовку публікацій до друку авторка виконала особисто.

У наукових працях, опублікованих із співавторами, автору дисертації належить: [1, 7, 8] - проектування смугових фільтрів на основі інтерференційних систем, які складаються з тришарових періодів, аналіз і розрахунок спектральних характеристик діелектричних фільтрів з шарами нерівної товщини; [2] - запропоновано структури інтерференційних фільтрів нового типу, розраховано їх спектральні характеристики; [3, 4, 12, 13] - модель нової конструкції інтерференційних фільтрів для інфрачервоної області спектра, яка складається лише з п'яти шарів; розрахунок коефіцієнтів пропускання запропонованих фільтрів; [7, 9, 10] - моделювання металодіелектричних систем з шарами різної товщини, дослідження впливу товщин окремих шарів на спектральну криву коефіцієнта пропускання; [14] - запропоновано нові конструкції інтерференційних фільтрів відсічного типу та розраховано їх спектральні характеристики; [6, 15] - використано вказівну функцію для прогнозування області високого пропускання смугових фільтрів та синтезу інтерференційних багатошарових періодичних систем, які складаються з двох різних матеріалів; [16, 18] - запропоновано конструкцію інтерференційного фільтра нового типу: шар діелектрика з високим показником заломлення - інтерференційне дзеркало - шар діелектрика з високим показником заломлення, розраховано оптимальні товщини діелектричних шарів з високим показником заломлення та кількість шарів інтерференційного дзеркала. У працях [5, 11] - проведено аналіз впливу похибки напилення шарів при одержанні багатошарових діелектричних та металодіелектричних систем на їх оптичні характеристики; [17] - запропоновано спосіб придушення побічних максимумів коефіцієнта пропускання вузькосмугових фільтрів без використання додаткових відсічних фільтрів.

Усі висновки і положення, що складають суть дисертації, сформульовані авторкою самостійно на основі досліджень, які проводились у рамках науково-дослідних робіт кафедри фотоніки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень представлялись особисто здобувачем у доповідях на міжнародних та всеукраїнських наукових конференціях: І International Conference “Electronics and Applied Physics”, Kyiv, Ukraine, November 24 - 27, 2005 (усна доповідь); 8^th International Conference Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science “TCSET'2006”, Lviv-Slavsko Ukraine, February 28 - March 2, 2006 (стенд); 9-а відкрита науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки, Львів, Україна, 4-6 квітня 2006 (усна доповідь); Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „ЕВРИКА - 2006”, Львів, Україна, 15 - 17 травня, 2006 (усна доповідь); 8^th International Conference Laser and Fiber-Optical Networks Modeling “LFNM'2006”, Kharkiv, Ukraine June 29 - July 1, 2006 (стенд); Ювілейна десята відкрита науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки, Львів, Україна, 3 -5 квітня 2007 (усна доповідь); Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників „Лашкарьовські читання - 2007”, Київ, Україна, 25 - 26 квітня 2007 (усна доповідь); Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „ЕВРИКА - 2007”, Львів, Україна, 22 - 24 травня 2007 (усна доповідь); 16^th International Conference Plastic Optical Fibers “POF'2007”, Turin, Italy, September 10 - 12, 2007 (стенд); ІII International Conference “Electronics and Applied Physics”, Kyiv, Ukraine, October 25 - 27, 2007 (усна доповідь); International Conference Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science “TCSET'2008”, Lviv-Slavsko Ukraine, February 21 - 23, 2008 (стенд); 11-а відкрита науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки, Львів, Україна, 1-4 квітня 2008 (усна доповідь); Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників „Лашкарьовські читання - 2008”, Київ, Україна, 21 - 23 квітня 2008 (усна доповідь).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 18 працях, серед яких 10 - наукових статей: 5 статей у фахових виданнях (1 стаття без співавторів), 5 статей в матеріалах конференцій; 1 патент на корисну модель; 7 праць опубліковано в збірниках тез доповідей конференцій.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів (огляду літератури та чотирьох оригінальних розділів), висновків, додатків та списку використаних джерел. Вона містить 141 сторінку, із них 122 сторінки основного тексту, включаючи 74 рисунки та 6 таблиць, 4 додатки на 5 сторінках, список використаних джерел з 145 найменувань на 14 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, її звязок з науковими програмами, сформульована мета і визначені задачі досліджень, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок дисертанта та наведено дані про апробацію результатів дисертаційних досліджень і публікації за матеріалами дисертації.

У першому розділі зроблено аналіз науково-технічної літератури, яка стосується моделювання та аналізу багатошарових тонкоплівкових структур та селективних інтерференційних тонкоплівкових багатошарових фільтрів, що використовуються в сучасній оптичній індустрії.

Описано і проаналізовано методи розрахунку спектральних характеристик інтерференційних фільтрів. Показано, що при розгляді багатошарових інтерференційних систем найчастіше використовується пряма задача, тобто розрахунок спектральних характеристик багатошарової системи, коли задані число шарів, їх показники заломлення та товщини.

Розглянуто оптичні матеріали для тонкоплівкових систем, оскільки оптичні та механічні властивості багатошарових покриттів залежать, в першу чергу, від використовуваних матеріалів, їх технології нанесення, а також від вибору матеріалу та якості поверхні підкладки.

Показано, що за останні десятиліття в розробці і застосуванні методів монохроматизації випромінювання з використанням тонкоплівкових фільтрів досягнуто значних успіхів. При цьому особливої актуальності набуло розроблення нових типів оптичних тонкоплівкових фільтрів. Це зумовлено широким використанням цих пристроїв в електроніці, оптоелектроніці, астрофізичних дослідженнях, телекомунікаціях, біології, медицині та інших галузях науки і техніки. За допомогою сучасної компютерної техніки та з використанням найновіших даних про тонкоплівкові матеріали можна синтезувати оптичні фільтри зі строго заданими параметрами для будь-якої довжини хвилі.

Більшість інтерференційних фільтрів виготовляються на основі шарів рівної оптичної товщини і для досягнення заданої спектральної кривої пропускання (відбивання) в цьому випадку необхідно використовувати велику кількість шарів в системі. Це призводить не лише до ускладнення конструкції фільтра, але також до ускладнення технології його виготовлення, збільшення вартості і зниження надійності. Такі недоліки в значній мірі вдається усунути використовуючи нерівнотовщинні багатошарові тонкоплівкові системи, що і зумовлює перспективність використання нерівнотовщинних багатошарових структур для моделювання оптичних селективних фільтрів.

У зв'язку з цим, можна з впевненістю стверджувати, що моделювання інтерференційних систем нового типу на основі нерівнотовщинних структур, їх ґрунтовний аналіз та спрощення конструкторських задач проектування є актуальним завданням з точки зору виготовлення оптичних приладів з використанням в них інтерференційних тонкоплівкових фільтрів.

В другому розділі показано, що оптика тонких плівок найкращим чином може бути побудована на основі електромагнітної теорії, яка забезпечує відносно повне і послідовне врахування інтерференційних і поляризаційних ефектів в плівкових багатошарових системах всіх типів.

Для аналізу спектральних характеристик інтерференційних нерівнотовщинних структур обрано точний матричний метод, який базується на системі рівнянь Максвела. За допомогою цього методу можуть бути визначені пропускання, відбивання та поглинання світла в залежності від довжини хвилі, кута падіння і напрямку поляризації світла.

Запропоновано формулу (1), яка дозволяє розраховувати товщини шарів з високим показником заломлення в структурі типу П(АБА)ⁿ (П - підкладка; А, Б - шари з високим та низьким показниками заломлення відповідно), при використанні яких центр смуги пропускання (відбивання) завжди знаходиться на робочій довжині хвилі:

(1)

де - зміна фази при відбиванні хвилі від діелектричного шару з низьким показником заломлення, який оточений діелектриком з високим показником заломлення; - амплітуда коефіцієнта відбивання; - ціле додатне число; - показник заломлення шару діелектрика з високим показником заломлення.

Крім цього, змінюючи число m і тим самим модифікуючи товщини шарів з високим показником заломлення, можна змінювати ширину смуги пропускання інтерференційних фільтрів змодельованих на основі такої структури.

На основі теорії одновимірних фотонних кристалів розвинуто поняття вказівної функції . Показано можливість прогнозування областей високого пропускання (відбивання) в багатошарових широкосмугових інтерференційних фільтрах за допомогою вказівної функції, застосованої до фотонних кристалів.

Для багатошарової періодичної структури, період якої складається з трьох шарів (два різні матеріали), вказівна функція (де - діагональні елементи передатної матриці всієї структури) матиме вигляд:

(2)

Спектральна крива пропускання для системи з товщинами шарів, розрахованими згідно варіанту розв'язку (6) зображена на рис.1.

Смуги пропускання можна розширити, якщо повторюваний період багатошарової системи буде створений з трьох чи чотирьох різних матеріалів і має структуру ABCСBA або ABCДДCBA, де А, В, С та Д - шари рівної оптичної товщини з матеріалів з показниками заломлення n_A, n_B, n_C та n_Д відповідно. На рис. 2 наведено залежність пропускання інтерференційного фільтра типу П(ABCДДCBA)⁵ та вказівної функції від довжини хвилі. В запропонованій системі всі шари є рівної оптичної товщини (чверть довжини хвилі) з показниками заломлення , , та . Як видно з рис. 2, вказівна функція чітко вказує область довжин хвиль, де можна досягнути високого коефіцієнта пропускання при заданих параметрах структури. В області довжин хвиль 3 мкм та 5 мкм спектральна крива має два провали, висоту яких можна модифікувати кількістю періодів в структурі.

Основною перевагою використання вказівної функції є те, що з її допомогою можна надзвичайно швидко вказати область високого пропускання (відбивання) в широкосмугових фільтрах та фільтрах відсічного типу.

Для періодичних багатошарових систем, які складаються лише з двох різних матеріалів, можна легко розрахувати необхідні товщини окремих шарів для забезпечення максимального пропускання для певної ділянки довжин хвиль. Таким чином, з допомогою вказівної функції полегшується моделювання оптичних фільтрів порівняно складної структури.

У третьому розділі проведено розрахунок спектральних характеристик нової моделі багатошарових інтерференційних фільтрів на основі багатошарових нерівнотовщинних структур, які створені багатократним повторенням симетричного тришарового періоду типу П(k₁В k₂Н k₃В)ⁿ де В - діелектрик з високим показником заломлення, Н - діелектрик з низьким показником заломлення, n - кількість періодів в системі, П - підкладка; k_1, k₂ k₃ - коефіцієнти пропорційності кратні оптичним товщинам шарів, що рівні чверті робочої довжини хвилі.

Показано, що зміна товщин окремих шарів дозволяє керувати піками спектральних смуг коефіцієнта пропускання для певних довжин хвиль.

Розрахунки проводились для різних довжин хвиль. Товщини шарів з низьким показником заломлення вибрано рівними чверті довжини хвилі або півхвилі. Відповідно до цих товщин розраховано товщини шарів діелектриків з високим показником заломлення за формулою (1). В результаті розрахунків отримано смугові багатошарові інтерференційні системи, які зображені на рис.3 і рис.4.

Кількість періодів в системі впливає на форму спектральної кривої. При збільшенні кількості періодів смуга пропускання стає більш прямокутною, при цьому півширина смуги пропускання практично не змінюється: наприклад, для двох періодів півширина смуги пропускання приблизно рівна 63,5 нм, у випадку з трьома періодами - 63,2 нм. Проте, в тому ж діапазоні довжин хвиль з'являються уже не два, як в системі з двома періодами (крива 1, рис. 4), а чотири сусідніх максимуми (крива 2, рис. 4). Якщо збільшити значення m у формулі (1) до значення значно більшого за 10, тоді на тій же ділянці довжин хвиль з'явиться декілька смуг пропускання.

Для таких систем величина коефіцієнта пропускання на робочій довжині хвилі практично рівна 100 %, за межами смуг пропускання менше 0,3 %.

Проведено дослідження смуги пропускання в залежності від кута падіння плоскої хвилі на багатошарову систему та від типу поляризації. Аналіз показав, що на ділянці кутів падіння плоскої хвилі від 0є до 20є для s і p- поляризацій спектральні криві коефіцієнта пропускання для s і p складових практично не відрізняються. Кут падіння в цьому інтервалі несуттєво впливає на форму та ширину смуги пропускання, зміщуючи її в область менших довжин хвиль.

На практиці широкого застосування набув клас покриттів, які складаються з шару металу та діелектричної інтерференційної системи. Більшість літературних джерел описують роботу металодіелектричних систем типу метал - діелектрик - метал. Нами запропоновано та досліджено архітектоніку нового класу інтерференційних фільтрів структури типу діелектрична плівка з високим показником заломлення - тонка плівка металу - діелектрична плівка з високим показником заломлення. Обрахунки виконувались для довжини хвилі . В якості металевої плівки використовувались тонкі плівки срібла та золота. Товщини металевих плівок приймались рівними , і , оскільки при більших товщинах значно зростає коефіцієнт поглинання в структурі. Розрахунок проводився для діелектричних шарів з показниками заломлення 9; 6,7 і 4,1 (Bi₂O₃, SnTe, Ge відповідно). Спектри коефіцієнта пропускання такої структури зображено на рис. 5.

Слід підкреслити, що досліджувана структура складається лише з одного періоду, і це є її основною перевагою. Шириною смуг і частотою піків в такому фільтрі можна управляти, змінюючи товщини діелектричних шарів.

Високе пропускання у вузькій смузі досягається завдяки присутньому в структурі шару, показник заломлення в якому є величиною комплексною, що має малу дійсну частину і значну уявну частину (металева плівка). Діелектричні шари з високим показником заломлення в свою чергу використовуються в якості узгоджуючих ланок імпедансу металевої плівки з імпедансом навколишнього середовища.

Представлено результати моделювання довгохвильового відсічного фільтра, який має високий коефіцієнт пропускання в області спектра від 630 нм до 700 нм, смугового фільтра з півшириною приблизно 200 нм та довгохвильового фільтра відсічного типу зі смугою високого пропускання від 1000 нм до 1300 нм. Такі задачі виникають при проектуванні приладів, які використовуються для мультиплексування чи демультиплексування сигналів в галузі телекомунікацій.

Четвертий розділ присвячений моделюванню інтерференційних селективних фільтрів нового типу.

Велике число шарів інтерференційної структури ускладнює процес синтезу таких систем, оскільки основною складністю при виготовленні багатошарових покриттів залишається контроль товщин окремих шарів, а випадкові статистичні похибки в окремих шарах помітно впливають на результуючі оптичні характеристики покриттів.

В основу роботи поставлено завдання створення такого інтерференційного фільтра нового типу, в якому нова структура і модифікація товщин окремих шарів дозволили б зменшити кількість діелектричних шарів в системі і покращити селективні властивості фільтра. Запропоновано п'ятишарову структуру фільтра, в якій роздільний шар з високим показником заломлення одночасно виконує роль підкладки. Структура такого фільтра має вигляд: АБА₁БА, де А, Б - шари з високим і низьким показниками заломлення відповідно, товщина яких кратна чверті робочої довжини хвилі; А₁ - шар з високим показником заломлення, товщина якого набагато більша за л.

Для розрахунку спектрів пропускання цієї системи в якості матеріалів з високим показником заломлення використано германій Ge (), телурид свинцю PbTe (), телурид германію GeTe (), телурид олова SnTe (), в якості матеріалу з низьким показником заломлення використовувались фтористий стронцій SrF₂ (), фтористий натрій NaF (). Товщини діелектричних шарів з низьким та високим показниками заломлення вибрано кратними чверті довжини хвилі (дослідження проведено для довжини хвилі 5 мкм), товщину роздільного шару для вище згаданих матеріалів з високим показником заломлення вибрано рівною . На рис. 6. зображено спектральну криву коефіцієнта пропускання інтерференційного фільтра, змодельованого для матеріалів Ge і SrF₂.

Виконання інтерференційного фільтра за допомогою лише п'яти шарів має перевагу у контролі товщин окремих шарів внаслідок спрощення технології. Виконання роздільного шару порівняно великої товщини і використання його одночасно в якості підкладки має перевагу у порівнянні з аналогами, оскільки відкидає проблему вибору матеріалу підкладки.

Відомо, що структура дифракційна ґратка - тонка металева плівка - дифракційна ґратка має у вузькій спектральній смузі значний коефіцієнт пропускання. Можна припустити, що інтерференційне дзеркало (багатошарове покриття, яке містить два матеріали з високим та низьким показником заломлення, що чергуються) в смузі високого відбивання також матиме ефективну діелектричну сталу, яка є меншою за нуль (ефективну від'ємну діелектричну сталу), що дозволяє припустити, що аналогічні спектральні характеристики матиме структура діелектричний шар з високим показником заломлення - інтерференційне дзеркало - діелектричний шар з високим показником заломлення.

Розглянуто найпростіший випадок, коли товщини шарів дзеркала завжди є рівними чверті робочої довжини хвилі, а показники заломлення діелектричних шарів відповідатимуть співвідношенню .

Пропускання буде максимальним тоді, коли відбивання рівне нулю, тобто рівна нулю різниця векторів електричного та магнітного полів:

де .

Спростивши вираз (7), отримаємо рівняння:



Щоб знайти найпростіший розв'язок рівняння (8), перейдемо від синусів та косинусів до тангенса.

На основі рівняння (9) будується залежність від показника заломлення, з такої залежності визначається оптимальне значення показника заломлення для діелектричних шарів, тобто таке значення, при якому буде максимальним пропускання цілої системи. В залежностві від значення показника заломлення отримано товщину діелектричних шарів

При моделювання такої системи шарів з підкладкою використано узгоджуючий шар. Товщина цього шару вибирається рівною чверті робочої довжини хвилі, а показник заломлення повинен відповідати співвідношенню

Для прикладу розглянуто випадок, коли показники заломлення шарів інтерференційного дзеркала рівні 2,3 (6 шарів) та 1,38 (5 шарів). Товщини цих шарів розраховано для базової довжини хвилі 5 мкм. Підкладку вибрано з показником заломлення 4,1, згідно формули (11) узгоджуючий шар матиме показник заломлення 2,02. Розрахунки проведено для показників заломлення діелектричних шарів 4,1, 5,44 та 7,2 і відповідно з товщинами 0,3048 мкм, 0,2298 мкм, 0,1517 мкм (рис. 7). Смугу пропускання можна модифікувати змінюючи у формулі (10) k (рис. 8).

У пятому розділі досліджено вплив втрат в шарах тонкоплівкових структур на їх оптичні характеристики.

Проведено аналіз впливу похибки у товщинах шарів при виготовленні багатошарових діелектричних та металодіелектричних систем на їх оптичні характеристики. Виявлено найбільш чутливі шари, в яких навіть мінімальне відхилення від заданої товщини призводить до недопустимого спотворення спектральної кривої. Визначення таких шарів проведено шляхом аналізу значень похідних , які характеризують швидкість зміни коефіцієнта пропускання Т покриття залежно від товщини і-го шару h_i. Найбільш чутливим шаром буде той шар, для якого похідна буде найбільшою. Досліджено залежність півширини смуги пропускання від товщини діелектричних шарів з високим показником заломлення.

Проведено розрахунок спектральних характеристик всіх запропонованих вище структур інтерференційних фільтрів з врахуванням поглинання тонкоплівкових матеріалів, які використовувались при моделюванні.

Смугові фільтри зі структурою П (k₁В k₂Н k₃В)ⁿ є достатньо технологічними, оскільки при врахуванні коефіцієнта поглинання в шарах системи величина коефіцієнта пропускання зменшується не більше ніж на 5 %.

Результати отримані при дослідженні фільтрів відсічного типу свідчать, що пропускання синтезованих фільтрів при зміні поглинання у великих межах (від до ) зменшується не більше ніж на 10 %.

Запропоновані вузькосмугові інтерференційні тонкоплівкові системи володіють перевагою меншої кількості шарів, проте дослідження свідчать, що при врахуванні коефіцієнта поглинання коефіцієнт пропускання на робочій довжині хвилі зменшується від 100 % до практично 50 %. Система з такими великими втратами, звичайно, не буде мати практичного застосування, тому необхідно шукати шляхи підвищення пропускання на робочій довжині хвилі. Найпростішим вирішенням цієї проблеми є зменшення товщини середнього шару. Крім цього, очевидно, що покращення спектральних характеристик смугового фільтра можна досягнути, якщо використати інші матеріали з високим показником заломлення.

Запропоновано спосіб придушення побічних максимумів без використання додаткових відсічних фільтрів. Проблема вирішується застосуванням структури, яка містить додатковий вузькосмуговий фільтр, що узгоджується з основним за допомогою перехідного шару.

У додатках подано програми розрахунків спектрів пропускання інтерференційних фільтрів та акти використання результатів дисертаційної роботи.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язано науково-технічну задачу моделювання нерівнотовщинних багатошарових структур для оптичних селективних фільтрів. Проведені дослідження дали змогу зробити такі висновки:

1. Запропоновано конструкторські та технологічні рішення, для створення селективних фільтрів електромагнітних хвиль із строго заданими спектральними характеристиками. А саме, запропоновано розрахунок товщини шарів матеріалів з високим показником заломлення (А) в багатошарових періодичних системах типу П(АБА)ⁿ за формулою

.

Використання структури П(АБА)ⁿ та шарів А з товщинами, які розраховані відповідно до представленої вище формули дозволяє отримати фільтри з високим коефіцієнтом пропускання на робочій довжині хвилі та управляти шириною смуги пропускання змінюючи число m у формулі, тим самим модифікуючи товщини шарів А.

2. Використано введену в теорії одновимірних фотонних кристалів вказівну функцію для прогнозування області високого пропускання (відбивання) в смугових багатошарових періодичних інтерференційних фільтрах, що дозволило спростити аналіз таких структур. Для структур, період яких містить лише два різних матеріали (П(АБА)ⁿ), за допомогою вказівної функції отримано аналітичні вирази для розрахунку товщини шарів з високим показником заломлення.

Спектральні залежності вказівної функції дозволяють не лише прогнозувати області високого пропускання (відбивання) для періодичних багатошарових систем з різними структурами, але і вказують на ті області спектральної кривої пропускання в яких можливі провали.

3. Періодичні багатошарові покриття на основі структури П(АБА)ⁿ дозволяють отримати селективні фільтри з коефіцієнтом пропускання практично 100% на робочій довжині хвилі та 0,05 % за межами спектральної кривої пропускання. За допомогою модифікації товщини окремих шарів в структурах з тришаровими періодами можна керувати шириною смуги пропускання від 0,1 мкм до 3 мкм.

4. Спроектовано п'ятишарову структуру вузькосмугового фільтра (АБА₁БА), в якій роздільний шар з високим показником заломлення одночасно виконує роль підкладки. Отримано мінімальну півширину смуги пропускання такого фільтра рівною 2 нм при величині коефіцієнта пропускання 90 % на робочій довжині хвилі. Оптимізація запропонованої структури дозволила придушити побічні максимуми коефіцієнта пропускання на ділянці спектра від 2,6 мкм до 5,6 мкм.

5. Запропоновано конструкцію інтерференційного фільтра нового типу, що містить інтерференційне дзеркало, обмежене шарами діелектриків з високим показником заломлення. Отримано аналітичні співвідношення, які пов'язують кількість шарів в інтерференційному дзеркалі, показники заломлення та товщини всіх шарів в структурі такого фільтра. Досягнуто максимального коефіцієнта пропускання на базовій довжині хвилі завдяки вибору оптимальної товщини та показника заломлення шарів, що обмежують інтерференційне дзеркало.

6. Показано, що при врахуванні поглинання в шарах смугових фільтрів зі структурою П(АБА)ⁿ величина коефіцієнта пропускання рівна 90ч95 %; в вузькосмугових фільтрах зі структурою АБА₁БА величина коефіцієнта пропускання рівна 70ч90%. Отримані результати свідчать про технологічність запропонованих структур, оскільки врахування поглинання не суттєво впливає на величину коефіцієнта пропускання, а бажана смуга пропускання досягається за невеликої кількості шарів в структурах.

Запропоновані структури дозволяють розв'язати обернену задачу синтезу інтерференційних фільтрів шляхом модифікації товщин окремих шарів, а також реконструкцію фільтрів за їх характеристиками.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Яремчук І.Я. Спектральні характеристики багатошарових структур на основі трикомпонентних блоків / І.Я. Яремчук, В.М. Фітьо, Я.В. Бобицький // Вісник Нац. унів. „Львівська Політехніка”. Електроніка. - 2006. - № 558. - С. 80-85.

2. Яремчук И.Я. Узкополосные фильтры нового типа для инфракрасной области спектра / И.Я. Яремчук, В.М. Фитьо, Я.В. Бобицкий // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2008. - № 6. - С. 67-78.

3. Пат. 26850 Україна, МПК G02B 5/28. Інтерференційний фільтр / Яремчук І.Я., Фітьо В.М., Бобицький Я.В; заявник і власник патенту Національний університет „Львівська політехніка”. - № u 200705597; заявл. 21.05.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл. №16.

4. Yaremchuk I.Ya. Selective unequal thickness thin-films filters for IR - spectrum region / I.Ya. Yaremchuk, V.M. Fitio, Ya.V. Bobitski // Semicond. Phys., Quant Electron., Optoelectron. - 2008. - V. 11, № 1. - P. 23-26.

5. Яремчук І.Я. Технологічні аспекти синтезу багатошарових тонкоплівкових структур / І.Я. Яремчук // Вісник Нац. унів. „Львівська Політехніка”. Електроніка. - 2007. - № 592. - С. 94-98.

6. Yaremchuk I.Ya. Prediction of a region with high region transmission (reflectance) for bandpass interference filters using the method of pointer function / I.Ya. Yaremchuk, V.M. Fitio, Ya.V. Bobitski // Semicond. Phys., Quant Electron., Optoelectron. - 2008. - V. 11, № 1. - P. 50-54.

7. Yaremchuk I.Ya. Multilayer thin-film interference filters / I.Ya. Yaremchuk, V.M. Fitio, Ya.V. Bobitski // Electronics and Applied Physics I: international conf., November 24 - 27, 2005: proceedings. - Kyiv.: Taras Shevchenko National University, 2005. - P. 16-17.

8. Fitio V.M.. Interference Filters: Tree-Component Dielectric Systems / V.M. Fitio, I.Ya. Yaremchuk, Ya.V. Bobitski // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science [“TCSET'2006”]: international conf., February 28-March 4, 2006: proceedings. - Lviv:Publishing House of Lviv Polytechnic, 2006. - P. 551-553.

9. Яремчук І.Я. Розрахунок тонко-плівкових металодіелектричних систем з шарами різної товщини / І.Я. Яремчук, В.М. Фітьо, Я.В. Бобицький // Еврика 2006: міжнарод. конф. молод. науковців з експериментальної та теоретичної фізики, 15-17 травня 2006: тези. - Львів: В-во ЛНУ ім. Івана Франка. - 2006. - С 23.

10. Yaremchuk I.Ya. Optical properties of multilayer thin-film interference filters / I.Ya. Yaremchuk, V.M. Fitio, Ya.V. Bobitski // Laser and Fiber-Optical Networks Modeling [“LFNM'2006”]: 8^th international conf., June29-July 1, 2006: proceedings.- Kharkiv: V.N.Karazin Kharkiv National university, 2006. - P. 117-120.

11. Яремчук І.Я. Технологічні аспекти синтезу багатошарових тонко плівкових структур / І.Я. Яремчук // ювілейнa 10^a відкритa науково-технічнa конф. професорсько-викладацького складу Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки, 3-5 квітня 2007 р.: тези. - Львів: В-во НУ „Львівська політехніка”, 2007. - С 39.

12. Яремчук І.Я. Нерівнотовщинні плівкові селективні фільтри для ІЧ-області спектра / І.Я. Яремчук, В.М. Фітьо, Я.В. Бобицький // Лашкарьовські читання 2007: міжнарод. конф. з фізики напівпровідників, 23-26 квітня 2007 р.: тези. - Київ:. В-во Ін-ту фізики напівпровідників Ім. В.Є. Лашкарьова, 2007. - С 55.

13. Яремчук І.Я. Моделювання та дослідження діелектричних багатошарових систем для ІЧ-області / І.Я. Яремчук, В.М. Фітьо, Я.В. Бобицький // Еврика 2007: міжнарод. конф. молод. мауковців з експериментальної та теоретичної фізики, 22-24 травня 2007р.: тези. - Львів: В-во ЛНУ ім. Івана Франка, 2007. - С 29.

14. Bobitski Y. Design and optimization of thin-film filters for WDM demultiplexers for POF systems / Y. Bobitski, I. Yaremchuk, L. Bartkiv, H. Poisel // Plastic Optical Fibers [“POF'2007”]: 16^th international conf., September 10-12, 2007: proceedings. - Turin (Italy).: Politechnico Di Torino, 2007. - P. 146-148.

15. Yaremchuk I.Ya. Pass-band thin-film filters: prognostic of transmission band by pointer / I.Ya. Yaremchuk, V.M. Fitio, Ya.V. Bobitski // Electronics and Applied Physics III: international conf. October 25 - 27, 2007: proceedings. - Kyiv.: Taras Shevchenko National University, 2007. - P. 17-18.

16. Yaremchuk I.Ya. Design of multilayer interference thin-film filters / I.Ya. Yaremchuk, V.M. Fitio, Ya.V. Bobitski // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science [“TCSET'2008”]: international conf., February 19-23, 2008: proceedings. - Lviv:Publishing House of Lviv Polytechnic, 2008. - P 89-90.

17. Яремчук І.Я. Придушення побічних максимумів вузькосмугового інтерфернційного фільтра / І.Я. Яремчук, Г.А. Петровська, В.М. Фітьо, Я.В. Бобицький. // 11^a відкритa науково-технічнa конф. професорсько-викладацького складу Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки, 1-3 квітня 2008 р.: тези. - Львів: В-во НУ „Львівська політехніка”, 2008. - С 46.

18. Яремчук І.Я. Нерівнотовщинні плівкові селективні фільтри для ІЧ-області спектра / І.Я. Яремчук, В.М. Фітьо, Я.В. Бобицький // Лашкарьовські читання 2008: міжнарод. конф. з фізики напівпровідників, 21-23 квітня 2008 р.: тези. - Київ:. В-во Ін-ту фізики напівпровідників Ім. В.Є. Лашкарьова, 2008. - С 93-94.



АНОТАЦІЇ

Яремчук І.Я. Моделювання нерівнотовщинних багатошарових структур для селективних оптичних фільтрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.20 - оптоелектронні системи. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена моделюванню нерівнотовщинних багатошарових структур для селективних оптичних фільтрів. Запропоновано нові конструкції фільтрів для видимої та інфрачервоної області спектру: смугові фільтри на основі нерівнотовщинних структур з тришаровими періодами та металодіелектричних структур; вузькосмугові фільтри, які складаються лише з пяти шарів, а роздільний шар виконує роль підкладки, а також смугові фільтри, структура яких складається з інтерференційного дзеркала, обмеженого шарами діелектриків з високим показником заломлення. Розвинуто поняття вказівної функції, яку можна використати для прогнозування області високого пропускання (відбивання) в смугових багатошарових періодичних інтерференційних фільтрах без повного аналізу таких структур. Встановлено аналітичний зв'язок між товщиною та показником заломлення матеріалів для синтезу фільтра, який складається з інтерференційного дзеркала, обмеженого шарами діелектриків з високим показником заломлення. Показано певні закономірності та зв'язки між структурними властивостями багатошарових систем та їх оптичними характеристиками (коефіцієнтами пропускання, відбивання та поглинання). Досліджено вплив втрат в шарах тонкоплівкових структур на їх оптичні характеристики.

Ключові слова: вузькосмуговий інтерференційний фільтр, широкосмуговий інтрференційний фільтр, багатошарова структура.



Яремчук И.Я. Моделирование неравнотолщинных многослойных структур для селективных оптических фильтров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 - оптоэлектронные системы. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена моделированию неравнотолщинных многослойных структур для селективных оптических фильтров. Предложены новые конструкции фильтров для инфракрасной области спектра: полосовые фильтры на основе неравнотолщинных структур с трехслойным периодом и металлодиэлектрических структур, узкополосные фильтры, которые состоят только с пяти слоев, в которых разделительный слой выполняет роль подложки, а также полосовые фильтры, структура которых представляет собой интерференционное диэлектрическое зеркало, ограниченное слоями диэлектриков с высоким показателем преломления.

Предложен метод расчета толщин отдельных слоев в многослойных интерференционных системах, что позволяет получать фильтры с высоким коэффициентом пропускания на рабочей длине волны. Показано, что с помощью модификации толщин диэлектрических слоев с высоким показателем преломления, достигается необходимая ширина полосы пропускания.

Развито понятие указательной функции, которую можно использовать для прогнозирования области высокого пропускания (отражения) в многослойных полосовых периодических интерференционных фильтрах без полного анализа таких структур. Эта функция позволяет не только прогнозировать области высокого пропускания для многослойных систем, но и указывает на те области спектра, в которых возможны некоторые особенности.

Использование разделительного слоя в роли подложки в узкополосных пятислойных фильтрах устраняет проблему выбора материала подложки. Преимущество таких фильтров состоит в достижении высокого коэффициента пропускания и узкой полосы пропускания, приблизительно 2нм при использовании небольшого количества тонкопленочных слоев.

Установлена аналитическая связь между толщиной и показателем преломления материалов для фильтра, который состоит из интерференционного зеркала, ограниченного слоями с высоким показателем преломления. Показаны определенные закономерности и связи между структурными свойствами многослойных систем и их оптическими характеристиками (коэффициент пропускания, отражения и поглощения).

Исследовано влияние потерь в слоях тонкопленочных структур на их оптические характеристики. Предложен способ подавления побочных максимумов пропускания для узкополосных фильтров без использования дополнительных отсекающих фильтров.

Ключевые слова: узкополосный интерференционный фильтр, широкополосный интерференционный фильтр, многослойная структура.

Yaremchuk I.Ya. Design of the unequal multilayer structures for the selective optical filters. - Manuscript.

Thesis for the PhD degree Techniques, speciality 05.12.20 - Optoelectronics Systems, V. Lashkarov Institute of semiconductor physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.

The PhD thesis is devoted to the design of the unequal multilayer structures for the selective optical filters. The new constructions of filters are designated for the visible and infra-red region of the spectrum. There are bandpass filters that includes structure with three-layers periods and structure with the metallic thin film; the narrowband filters that includes five layers only and bandpass filters of type “dielectric layer with the high refractive index - interference mirror - dielectric layer with the high refractive index”. The concept of pointer function which can be used for prognostication the region of high transmission (reflection) in bandpass multilayered periodic interference filters without the thorough analysis of such structures is entered. Analytical connection is determined between the thickness and refractive index of materials for the design of filter, which includes of interference mirror and limited layers with the high index of refraction. Certain rules and connections are denoted between structural properties of the multilayer systems and their optical characteristics (transmission, reflection and absorption). Influence of losses is researched in the layers of thin-film structures on their optical characteristics.

Keywords: narrow-band interference filter, bandpass interference filter, multilayer structure.

Размещено на Allbest.ru

...