Тонкопленочные фильтры: МНОГОСЛОЙНЫЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ФИЛЬТРЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ДИАПАЗОНОВ

7.4. Волоконно-оптические фильтры

Оптические фильтры (волновые селекторы) предназначены пропускания или отклонения излучения в определенном диапазоне длин волн. В зависимости от пропускаемых длин волн различают фильтры нижних частот (длинноволновые), верхних частот (коротковолновые), заграждающие и полосовые фильтры. Они применяются в WDM системах, волоконно-оптических усилителях и системах мониторинга и контроля ОВ.

Широкое применение находят оптические интерференционные фильтры [5], основанные на интерференции света в многослойных тонких пленках (покрытиях) с различными показателями преломления. Тонкопленочный фильтр состоит из нескольких слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями преломления, нанесенных последовательно друг за другом на оптическую подложку. На каждой границе раздела между слоями из-за различия их показателей преломления часть падающего светового пучка отражается обратно. Этот отраженный свет усиливает или подавляет падающий (отраженная волна интерферирует с падающей) в зависимости от длины волны.

Надлежащим образом подобрав показатель преломления и толщину каждого слоя, можно получить фильтр, который будет пропускать любой заданный диапазон длин волн и отражать все остальные (рис. 7.28).

Рис. 7.28. Интерференционный тонкопленочный фильтр: 1 – падающая волна, 2 – отраженная, 3 – прошедшая

Методы выбора параметров и техника нанесения диэлектрических слоев хорошо известны в оптической промышленности десятки лет. Выбор диэлектрических материалов ограничен, так как многие материалы с хорошими оптическими свойствами имеют физические качества, далекие от требуемых. В общем случае, чем жестче требования к фильтру, тем большее число слоев необходимо нанести на подложку. Несмотря на имеющиеся сложности, эта технология позволяет, незначительно изменяя процесс производства, создавать недорогие фильтры с различными специальными спектральными свойствами.

Различают фильтры с фиксированной частотной (волновой) характеристикой и перестраиваемые фильтры. В последних интерференционный фильтр обычно выполненный в виде пластины или диска наклоняется, перемещается или поворачивается для изменения диапазона пропускаемых или заграждаемых частот (длин волн). Перестройка фильтра может производиться вручную или с помощью электропривода.

К основным параметрам оптических фильтров относятся:

• тип ОВ,

• полоса пропускания, ₁₂,

• полоса задерживания, 

  3₄,

• переходная полоса

• вносимое затухание в полосе пропускания, a_в,

• затухание в полосе задерживания (изоляция), a_з,

• возвратные потери, a_об.

Для современных интерференционных фильтров типовые значения вносимых потерь составляют 0.5-0.8 дБ, затухания в полосе задерживания 25-50 дБ, а возвратные потери 50 дБ. У узкополосных оптических фильтров полоса пропускания имеет 1-8 нм, а у широкополосных достигает 60 нм.

Устройства волнового (спектрального) уплотнения WDM (Wavelength Division Multiplexing) предназначены для мультиплексирования (объединения) оптических сигналов разных длин волн из нескольких ОВ в одно ОВ или демультиплексирования (разделения) оптических сигналов разных длин волн из одного ОВ в несколько ОВ. Первые WDM появились в начале 90 годов. Они используются для широкополосных ВОСП работающих в дуплексном режиме по одному ОВ (рис. 7.29а) или по двум ОВ (рис. 7.29б) на двух длинах волн 0.85/1.3 или 1.31/1.55 мкм [8]. Наиболее полной характеристикой WDM, также как для разветвителя, является матрица потерь. В таблице 7.3. приведена типовая матрица потерь для WDM устройства 1  2.

а)
б)

Рис. 7.29. Использование мультиплексоров/демультиплексоров WDM для ВОСП, работающих по одному (а) и по двум ВС (б).

Таблица 7.3.

Матрица потерь WDM устройства a_ij

Входы / выходы i	Входы / выходы j, 1=1310 нм			Входы / выходы j, 2=1550 нм
	1	2	3	1	2	3
1	50	25	1. 5	50	25	25
2	25	50	25	25	50	1.5
3	1.5	25	50	25	1.5	50

Основными параметрами WDM являются:

• вносимые потери a₁₃

  и a₃₁ для ₁и a₂₃ и a₃₂ для ₂, которые обычно составляют 1. 5-3.5 дБ,

• переходное затухание на ближнем конце a₁₂ для ₁и a₂₁ для ₂, которое лежит в пределах 20-30 дБ;

• переходное затухание на дальнем конце a₃₂ для ₁и a₃₁ для ₂, которое лежит в пределах 20-30 дБ;

• возвратные потери a₁₁, a₂₂ и a₃₃, которые обычно превышают 50 дБ.

В дальнейшем появились прецизионные узкополосные DWDM (Dense WDM) устройства, позволяющие организовать по двум ОВ до 40 дуплексных каналов со скоростью 2.5 Гбит/c в полосе пропускания эрбиевого оптического усилителя EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), которая лежит в диапазоне длин волн 1528-1661 нм [1]. При этом разность длин волн в соседних каналах составляет 0.8 нм, а частотный интервал между соседними каналами равен 100 ГГц. Реальные системы DWDM в соответствии с сегодняшними потребностями имеют меньшее число каналов 4, 8 или 16 и более широкий частотный интервал между соседними каналами. Это упрощает и удешевляет конструкцию DWDM. Однако в МСЭ уже обсуждается стандартное распределение частот для DWDM на 80 каналов с частотным интервалом между каналами 50 ГГц, что позволит по одному ОВ передавать сигналы со скоростью 200 Гбит/с, а по кабелю с 16 ОВ достичь скорости передачи в дуплексном режиме 1.6 Тбит/c. Для построения DWDM систем наряду с пассивными узкополосными фильтрами требуется создание узкополосных (одночастотных) лазеров, сохраняющих с высокой точностью свою длину волны.

DWDM системы могут также характеризоваться матрицей потерь. Однако, являясь чисто пассивными устройствами, имеют большое вносимое затухание порядка 10-12 дБ при переходном затухании на ближнем и дальнем концах порядка 20 дБ. Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и (или) после DWDM системы.

Для разделения оптических сигналов в системах спектрального мультиплексирования используются интерференционные фильтры, дифракционные решетки и технология трехмерного оптического мультиплексирования.

В мультиплексорах и демультиплексорах на основе интерференционных фильтров используются обычно одноступенчатые тонкопленочные фильтры, каждый из которых выделяет из составного сигнала (или добавляет в него) один канал. Фильтры расположены под наклоном к оптической оси, чтобы отраженный свет не попадал обратно в систему. Наклонное расположение фильтров изменяет эффективную толщину слоев и меняет таким образом полосу пропускания, что необходимо учитывать при проектировании фильтров. Для обработки многоволновых сигналов используют многоступенчатые системы фильтров, в которых свет, отраженный от каждого фильтра, попадает на вход следующего фильтра, что придает исключительную важность вопросу их выравнивания (рис.

7.30).

Тонкопленочные фильтры имеют достаточно узкую полосу пропускания и используются в системах WDM с 16-ю или 32-мя каналами. В современных системах с более плотным расположением каналов используются другие технологии.

Рис. 7.30. Многоступенчатая система тонкопленочных фильтров для демультиплексирования составного сигнала

Мультиплексор AWG (Arrayed Waveguide Grating) на основе дифракционной решетки на массиве волноводов показан на рис. 7.31а. Он представляет собой два планарных оптических многопортовых разветвителя: входной n  m и выходной m  n. Разветвители соединяются массивом из m световодов, длины которых отличаются на L, то есть L_i+1 = L_i + L. Входной разветвитель расщепляет сигнал, поступивший на любой из входных портов на m входов массива световодов. Выходной разветвитель расщепляет сигнал, пришедший по любой из m световодов на все выходные порты.

Пусть сигнал WDM поступил на вход i входного разветвителя. Рассмотрим, какой сигнал придет на выход j выходного разветвителя, если от порта i до порта j он прошел через световод k. Путь, пройденный сигналом будет равен:

, (7.20)

где — длина световодаk,

L₁ – длина минимального (первого) световода,

— путь между входным портом i разветвителя и входом световода k,

— путь между выходным портом j разветвителя и выходом световода k,

d_i, d_j – длина минимального пути между входными/выходными портами разветвителей и входами/выходами световодов.

Тогда относительная фаза сигнала, пришедшего с порта i на порт j через световод k, составит:

, (7. 21)

где n₁ – показатель преломления материала входного и выходного разветвителей, n₂ – показатель преломления материала световодов. Первое слагаемое в этой сумме постоянно. Сигнал в световоде k остается многочастотным. На выходе j в фазе будут складываться те волны, для которых , гдеm – целое число, то есть будет выделяться длина волны .

Известен такой мультиплексор на 102 канала.

а
б

Рис. 7.31. Схемы мультиплексоров на основе дифракционной решетки на массиве волноводов: а) с входным и выходным разветвителями, б) с одним разветвителем и отражающим зеркалом.

С целью уменьшения размеров мультиплексора AWG вдвое была разработана конструкция с одним разветвителем и отражающим зеркалом (рис. 7.31б). Принцип разделения каналов у этого мультиплексора аналогичен только что рассмотренному. Потоки сигналов с выхода массива волноводов отражаются назад в разветвитель, где и происходит интерференция.

Мультиплексор на основе трехмерной технологии 3DO (3-D Optics WDM) показан на рис. 7.32. Его конструкция включает плоскую отражательную дифракционную решетку, вогнутое зеркало и массив волокон, которые размещаются в пазах решетки с фиксированным шагом. Мультиплексированный поток из входного волокна (А) отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, снова отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где должны быть расположены приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера показано выделение одного такого канала.

Рис. 7.32. Мультиплексор на основе трехмерной технологии 3DO: а) оптическая схема , б) конструкция.

Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм, то есть максимальное по сравнению с другими число каналов. Кроме того, она обеспечивает минимальные из всех рассмотренных конструкций вносимые потери.

Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования.

Тематические статьи по фотонике

Перестраиваемые тонкопленочные фильтры VersaChrome от компании Semrock для спектральной визуализации

1. Введение

Регистрация многоцветных изображений флуоресцирующих образцов широко используется в научно-исследовательских и клинических приложениях. Когда флуорофоры, используемые в таких применениях, имеют небольшое спектральное перекрытие, для получения адекватного результата достаточно использовать стандартные фильтры (с фиксированными значениями спектральных характеристик). Однако, когда перекрытие значительное, необходима спектральная визуализация [1-4].

Системы для спектральной визуализации обеспечивают гибкость в выборе длины волны, что очень удобно, когда в экспериментах используются разные комбинации флуорофоров, так как нет необходимости в смене фильтров. Однако, несмотря на возможность перестройки, стандартные системы для спектральной визуализации редко обладают преимуществами использования тонкопленочных интерференционных фильтров: высокий коэффициент передачи в сочетании с крутыми краями полосы пропускания и высоким коэффициентом блокировки вне полосы. В данной статье описан инновационный подход к спектральной визуализации с использованием перестраиваемых тонкопленочных фильтров от компании Semrock.

2. Технология

В основе новой технологии спектральной визуализации лежит использование перестраиваемых в широком диапазоне тонкопленочных оптических фильтров серии VersaChrome [5] от компании Semrock. В отличие от стандартных тонкопленочных интерференционных фильтров, спектральные характеристики фильтров VersaChrome изменяются как функция угла падения, при этом форма спектра не претерпевает никаких заметных изменений.

Рис. 1: (Слева) Спектр пропускания при нескольких больших углах падения для фильтра TBP01-620/15. (Справа) Сдвиг центральной длины волны при увеличении угла падения для данного фильтра. Полуширина полосы пропускания остается фиксированной — 20 нм, что соответствует гарантированному минимальному значению ширины – 15 нм. Следует отметить, что спектр фильтра непрерывно перестраивается в диапазоне от 0 до 60º (угол падения).

На рис. 1 представлены спектры фильтра серии VersaChrome от Semrock, TBP01-620/15, при различных углах падения излучения. Данный фильтр обладает гарантированной минимальной шириной полосы пропускания порядка 15 нм и полушириной – 20 нм. Как видно на данном рисунке, фильтр не только сохраняет ширину полосы при больших значениях угла падения, но и высокий коэффициент пропускания, крутые края спектра и надежное блокирование излучения в области вне полосы пропускания.

Центральная длина волны данного перестраиваемого фильтра (верно для всех фильтров VersaChrome) определяется следующим уравнением, где n_eff  – эффективный показатель преломления тонкопленочного покрытия:

Для данного фильтра n_eff составляет примерно 1.85. Отметим, что спектр данного фильтра меняется непрерывно. Если диапазон перестройки составляет 12% от длины волны при нормальном угле падения (угол падения изменяется в диапазоне от 0 до 60º), то для покрытия всего видимого диапазона понадобиться всего 4 фильтра.

3. Материалы и методы исследований

Микроскопия

Изображения клеток эндотелия лёгочной артерии быка (BPAE cells) с флуоресцентными метками MitoTracker® red (митохондрия), Alexa Fluor® 568 (F-актин) и SYTOX® Orange (ядро) были получены с помощью микроскопа Olympus BX41, оснащенного камерой ORCA C8484 от Hamamatsu. (Образец предоставлен Mike Davidson, Molecular Expressions™) В конструкцию микроскопа на пути излучения флуоресценции был встроен модуль с перестраиваемым фильтром. Управление модулем осуществлялось с помощью компьютера. Принцип работы представленного микроскопа изображен на рис. 2.

Для одновременного возбуждения всех флуорофоров в образце в куб микроскопа для фильтров устанавливается фильтр возбуждения (FF01-543/22-25) и дихроичный фильтр (FF562-Di02-25×36). Перестраиваемый запирающий фильтр, TBP01-620/15-25×36, был помещен в модуль, и последовательность изображений (lambda stack) регистрировалась при изменении угла наклона фильтра (угла падения излучения флуоресценции) с шагом 1º.

Рис.2 (Слева) Принцип работы микроскопа. (Справа) На пути излучения флуоресценции в микроскопе Olympus BX41 был помещен модуль с перестраиваемым фильтром и шаговым двигателем. Угол падения излучения на перестраиваемый фильтр (TBP01-620/15-25×36) меняется с шагом 1º при регистрации изображений образца на разных длинах волн. Расположение перестраиваемого фильтра на рисунке отмечено прямоугольником с пунктирными границами.

Линейное спектральное разделение (Linear unmixing)

Для спектрального разделения данных (linear unmixing, [1-4]), значения интенсивностей, зарегистрированные пикселем в процессе регистрации последовательности изображений, организуют в матрицы. Для решения системы линейных уравнений методом наименьших квадратов min||Ax-b||₂ при условии не отрицательности x, где x – матрица разделенных спектральных вкладов каждого флуорофора в заданном пикселе использовался пакет MATLAB. Матрица A содержит опорные спектры флуорофоров, соответствующие каждому из используемых (рис. 4), матрица b состоит из значений интенсивности в заданном пикселе в серии изображений.

4. Результаты

В приведенных исследованиях, спектральная визуализация с использованием перестраиваемых фильтров была продемонстрирована на примере. Была зарегистрирована серия изображений образца, помеченного флуорофорами MitoTracker® red, Alexa Fluor® 568 и SYTOX® Orange, с использованием перестраиваемого фильтра Semrock серии VersaChrome® (см. пункт Материалы и методы). На рис. 3 представлены изображения, зарегистрированные со спектральным шагом 5 нм.

Рис.3 Серия изображений, полученных при использовании перестраиваемого запирающего фильтра. Изображения получены со спектральным шагом 5 нм (см. рис. 1 с соответствующими спектрами фильтра). Компоненты клетки, помеченные флуорофорами с отличающимися спектрами излучения, можно легко различить даже при необработанных данных, тогда как, флуорофоры с похожими спектрами разделяют с помощью алгоритма разделения каналов эмиссии. Каждый кадр – изображение объекта размером 47 мкм x 38 мкм.

Из данных изображений видно, что ядро, окрашенное SYTOX® Orange можно легко выделить среди других компонентов клетки, с использованием только одного перестраиваемого запирающего фильтра, который предназначен для визуализации всех флуорофоров. Однако, так как F-актин и митохондрии помечены флуорофорами с сильно перекрывающимися спектрами (Alexa Fluor® 568 и MitoTracker® red, соответственно), разделение каналов эмиссии было необходимо для визуализации соответствующих компонентов.

Рис.4 На рисунке представлены нормированные опорные спектры для каждого используемого в образце флуорофора в заданной области. Отметим, что измеренный спектр флуорофора может отличаться от идеального. Это может быть обусловлено изменениями условий окружающей среды или ограничениями эксперимента. Фоновый сигнал также изображён как функция длины волны.

Выбранные из последовательности изображения участков, отображающих чистый спектральный вклад каждого флуорофора, представлены на рис.3. Нормированные значения интенсивности (после регулировки фона), соответствующие каждому флуорофору изображены на рис. 4. Данные графики представляют собой эталонные спектры флуорофороф, используемые в алгоритме спектрального разделения. Затем изображения из зарегистрированной последовательности использовались вместе в алгоритме разделения спектральных данных (см. пункт Материалы и методы) для спектрального разделения изображений всех флуорофоров (рис.5).

Рис.5 Спектрально разделенные данные. Однотонные изображения соответствуют компонентам клетки, помеченным одним из флуорофоров: ядро (верхнее слева), F-актин (верхнее справа) и митохондрии (нижнее слева). Нижнее правое изображение составное. Каждый кадр – изображение объекта размером 47 мкм x 38 мкм.

5. Заключение

Фильтры серии VersaChrome® могут быть размещены на пути излучения возбуждения и флуоресцентного излучения, и по мере изменения угла падения пучка излучения на фильтр, можно регистрировать различные спектральные линии. Кроме того, следует отметить, что спектральные характеристики данных перестраиваемых фильтров практически одинаковы для s и p поляризации света. Данную особенность довольно сложно получить при использовании жидкокристаллических и акустооптических перестраиваемых фильтров [2-5]. Нечувствительность к поляризации крайне желательна для спектральных систем визуализации, и кроме того ограничения на поляризацию излучения для фильтров с токовым управлением могут привести к потере половины сигнала во многих сканирующих спектральных приборах. Фильтры VersaChrome® не приводят к таким потерям. Таким образом, эти фильтры могут не только увеличить пропускную способность приборов спектральной визуализации, но и упростить конструкцию прибора [5].

Тонкопленочные оптические фильтры: обзор

Тонкопленочный оптический фильтр изготавливается путем чередования тонких слоев веществ, обладающих особыми оптическими свойствами, поверх мембраны; например, стекло, изготовленное специально для оптических целей. Когда свет проходит через оптический фильтр, его длины волн меняют направление при прохождении через каждый слой фильтра. Тонкопленочное покрытие изменяет показатели преломления, что приводит к внутренним интерференциям — процессу, помогающему свести к минимуму интерференцию от внутренних отражений. Длины волн света могут проходить, поглощаться или отражаться от фильтра. Тип оптического фильтра и длина волны определяют реакцию света на фильтр.

Существуют различные типы оптических фильтров. Одни могут пропускать свет, другие — отражать, а третьи — полностью его блокировать. Все типы могут работать с любой длиной волны, от УФ-диапазона до ИК-диапазона. Как правило, оптические фильтры подразделяются на пять основных групп в соответствии со спектральной формой фильтра.

1. Полосовые фильтры . Эти оптические фильтры пропускают различные длины волн, а также блокируют соседний свет.
2. Режущие фильтры . Оптические фильтры Notch блокируют диапазон длин волн, пропуская свет с обеих сторон.
3. Короткопроходные краевые фильтры . Оптические фильтры, относящиеся к этой категории, пропускают короткие волны света и блокируют более длинные.
4. Краевые фильтры Longpass . Короткие волны света блокируются длиннопроходными краевыми фильтрами, а более длинные волны проходят через них.
5. Дихроичные фильтры . Определенные длины волн отражаются дихроичными фильтрами, а другие диапазоны проходят через них.

Обычно краевые, полосовые и режекторные оптические фильтры работают при малых углах падения (AOI), например 0 градусов. Дихроичные фильтры, однако, предназначены для работы при AOI 45 градусов или больше и имеют краевое, полосовое или режекторное расположение.

Также возможно изготовление многополосных конфигураций оптических фильтров. Многополосные оптические фильтры — это полосовые фильтры, допускающие несколько полос пропускания. Эти фильтры содержат несколько блокирующих областей и рассеивают свет со всеми соседними длинами волн. Полихроичные фильтры, например, представляют собой дихроичные фильтры, содержащие несколько вырезов или полос.

Несмотря на то, что большинство оптических фильтров сгруппированы в вышеупомянутые категории, фильтры могут быть изготовлены по индивидуальному заказу. Пользовательские фильтры могут иметь любую спектральную форму, о которой вы только можете подумать; например, световые волны от ксеноновой лампы можно сделать похожими на спектр света, излучаемого солнцем при прохождении через специальный фильтр. Другие типы специально изготовленных оптических фильтров могут соответствовать случайным формам спектра.

Поскольку оптические фильтры настолько универсальны, их можно использовать по-разному, в том числе:

• Дистанционное зондирование
• Астрономия
• Солнечная съемка
• Флуоресцентная микроскопия

Если вы ищете оптический фильтр или покрытие любого типа, позвоните по номеру , свяжитесь с по телефону Evaporated Coatings, Inc. уже сегодня!

Краткое руководство по тонкопленочным оптическим фильтрам

Что такое тонкопленочные оптические фильтры?

Тонкопленочные оптические фильтры представляют собой оптические устройства, состоящие из чередующихся тонких слоев специализированных оптических покрытий, нанесенных на подложку (например, оптическое стекло). Слои покрытия изменяют показатель преломления подложки, изменяя направление различных длин волн входящего света, когда он проходит через один слой к другому. В зависимости от длины волны падающего света и типа используемого оптического фильтра может происходить отражение, пропускание или поглощение.

Типы тонкопленочных оптических фильтров

Тонкопленочные оптические фильтры подходят для использования со светом в диапазоне длин волн от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК). Их можно разделить на пять основных категорий в зависимости от их спектральной формы: полосовые фильтры, режекторные фильтры, краевые фильтры короткого пропускания, краевые фильтры длинного пропускания и дихроичные фильтры. Для получения дополнительной информации о различных доступных типах ознакомьтесь с этим t hin-film оптический фильтр сообщение в блоге .

Применение тонкопленочных оптических фильтров

Тонкопленочные оптические фильтры имеют широкие возможности настройки, что позволяет проектировать и изготавливать их для эффективной работы в чрезвычайно специфических или уникальных приложениях, основанных на освещении. Они используются в самых разных отраслях промышленности в различных устройствах, оборудовании и системах для различных вариантов использования, включая, помимо прочего, следующие:

• Обнаружение биологических изображений. Они могут фильтровать люминесценцию, чтобы облегчить работу устройств биологической визуализации.
• Химический анализ. Они могут изолировать определенные диапазоны излучения или поглощения от падающего света, чтобы помочь в химической идентификации и аналитических операциях.
• Усиление контраста. Они могут повышать контраст между объектами во время сканирования и других операций обработки изображений, чтобы улучшить идентификацию, распознавание и проверку.
• Лазерные системы. Они могут управлять лучом света, генерируемым лазерными системами.
• Они могут разделять и изменять передачу сигналов в телекоммуникационных системах.
• Окрашивание видимым светом.