(57)【要約】【課題】再現性の良い安定した平行移動が可能な平行移動ミラーと、該平行移動ミラーを用いることで波長帯域幅が安定した波長可変光フィルタおよび波長可変光源などの光モジュールを提供する。【解決手段】光を入射させるための貫通孔２を有する基台１と、基台１と対向する可動層４と、基台１と可動層４を電気的に分離した状態で連結させるとともに、両者間に所定距離のギャップを与え、貫通孔２から入射した光の光路と非交差となるように配置された絶縁層３と、可動層４内に形成され貫通孔２上に位置するメンブレイン４１およびメンブレイン４１の基台１とは反対側の表面に形成された可動ミラー５からなる振動部６と、振動部６の共振周波数ｆに等しい周期で振動部６を振動させる駆動装置１０と、可動ミラー５が形成された箇所を除くメンブレイン４１上に形成された金属からなるおもり部７と、を備える。【選択図】図１
2010211032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を入射させるための貫通孔（２）を有する基台（１）と、
前記基台と対向する可動層（４）と、
前記基台と前記可動層を電気的に分離した状態で連結させるとともに、両者間に所定距離のギャップを与え、前記貫通孔から入射した光の光路と非交差となるように配置された絶縁層（３）と、
前記可動層内に形成され前記貫通孔上に位置する可動薄膜（４１）および該可動薄膜の前記基台とは反対側の表面に形成された可動ミラー（５）からなる振動部（６）と、
前記振動部の共振周波数に等しい周期で前記基台と前記可動層との間に静電引力を発生させることにより前記振動部を振動させる駆動装置（１０）と、を備え、
前記振動部は、前記可動ミラーが形成された箇所を除く前記可動薄膜上に形成された金属からなるおもり部（７）をさらに備え、前記可動ミラーをその平行度を保ったまま前記共振周波数で振動させることを特徴とする平行移動ミラー。
【請求項２】
前記可動層内に前記可動薄膜を支持する弾性変形可能な支持部（４２）が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の平行移動ミラー。
【請求項３】
前記可動ミラーの反射面が凹面状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平行移動ミラー。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の平行移動ミラー（２０）と、
前記平行移動ミラーと対向する対向板（１２）と、
前記対向板上の前記可動ミラーと対向する位置に形成された固定ミラー（１３）と、
前記可動ミラーと前記対向板を連結させるとともに、両者間に所定距離のギャップを与え、前記貫通孔から入射した光と非交差となるように配置されたギャップ層（１１）と、を備えたことを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
前記固定ミラーの代わりに半導体レーザ（１４）を備えることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行移動ミラーおよびそれを用いた波長可変光フィルタおよび波長可変光源などの光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信回線や光通信機器の試験用あるいはＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサなどファイバセンシング用の光源の波長掃引手段として、波長可変光フィルタや波長可変光源が用いられている。
【０００３】
この種のフィルタや光源の中で、ファブリーペロー型の波長可変光フィルタやそれを用いた波長可変光源は、波長可変範囲が狭い範囲に制限されてしまうものの、それ自体を非常に小型に構成することができるという特徴を持っている。
【０００４】
このため、図８に示すようなメンブレイン１４０および凹状の対向ミラー１６０の一対の互いに対向する反射面からなるファブリーペロー型の波長可変光フィルタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この波長可変光フィルタは、可変電圧源２２０から電極１２０とメンブレイン１４０の間に電圧を印加することによって生じる静電引力により、メンブレイン１４０を変位させギャップ長１８０を変化させることで、フィルタリングする光の波長を変えることができる。
【０００５】
図９に上記メンブレイン構造の一例を示す。メンブレイン１４０はファブリーペロー型のフィルタの一方の反射面を構成する平板部３４Ｆとその周辺に配されたばね部３２Ｆにより構成されている。平板部３４Ｆ上で光の通過しない部分には、図８に示した電極１２０が対向するように配置され、平板部３４Ｆを変位させるための静電引力が発生される。
【０００６】
なお、波長可変光源を実現する場合には、図８の対向ミラー１６０の代わりに半導体レーザを配置し、該半導体レーザとメンブレイン１４０との間で外部共振器を形成すればよい。
【０００７】
これらフィルタおよび光源いずれの場合でも、メンブレイン１４０と対向ミラー１６０の平行度がそれらの特性を決めるため、メンブレイン１４０の移動には高い平行度が求められる。メンブレインの平行度が低下すると、フィルタの場合であればフィルタ特性の劣化につながり、光源の場合であれば出力光の波長が不安定になってしまうからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６３７３６３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、可動部であるメンブレインを高い平行度で変位させることは難しい。従来型のフィルタなどでは既に述べたように静電引力によりメンブレインを平行移動させているが、印加電圧の不均一性、メンブレインの弾性の経時変化などにより、必ずしもその平行度が保たれているわけではない。平行度を保つためには電極を多電極とし、各電極対に印加する電圧を調整することが考えられるが、電極ごとの印加電圧の制御方法が複雑だという問題があった。また、このため高速な平行移動、つまりは高速な波長掃引が困難である。また、これら従来の構造は、ＤＣ駆動が可能であり、幅広い周波数に対して応答できるように設計されているため、外部からの機械的振動だけでなく、電気ノイズの影響も受けやすいという欠点があった。
【００１０】
これらを回避するための方法として、メンブレインを含む可動部によって決まる共振周波数でフィルタを動作させることが考えられる。メンブレインが平行移動する振動モードを利用できれば、極めて再現性の良い安定した平行移動を実現できる。また、このような構造の場合、機械的振動や電気ノイズなどの外乱にも強くなる。
【００１１】
ただし、このような安定した平行移動を実現するためには、共振のＱ値を高く設定しなければならない。Ｑ値が高いということは、メンブレインに加えられるエネルギーの多くが平行移動の変位の特定の振動モードに集中し、その他の振動モードが抑制されることを意味する。
【００１２】
しかしながら、従来のフィルタなどではこのＱ値が極めて低く、共振周波数で動作させたとしても安定した平行移動を実現することが不可能であった。
【００１３】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、再現性の良い安定した平行移動が可能な平行移動ミラーを実現するとともに、該平行移動ミラーを用いることで光透過特性が安定した波長可変光フィルタや出力光特性が安定した波長可変光源などの光モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の平行移動ミラーは、光を入射させるための貫通孔を有する基台と、前記基台と対向する可動層と、前記基台と前記可動層を電気的に分離した状態で連結させるとともに、両者間に所定距離のギャップを与え、前記貫通孔から入射した光の光路と非交差となるように配置された絶縁層と、前記可動層内に形成され前記貫通孔上に位置する可動薄膜および該可動薄膜の前記基台とは反対側の表面に形成された可動ミラーからなる振動部と、前記振動部の共振周波数に等しい周期で前記基台と前記可動層との間に静電引力を発生させることにより前記振動部を振動させる駆動装置と、を備え、前記振動部は、前記可動ミラーが形成された箇所を除く前記可動薄膜上に形成された金属からなるおもり部をさらに備え、前記可動ミラーをその平行度を保ったまま前記共振周波数で振動させる構成を有している。
【００１５】
この構成により、振動部の共振のＱ値を高めるためのおもり部を備えることにより、再現性の良い安定した平行移動を実現することができる。
【００１６】
また、本発明の平行移動ミラーは、前記可動層内に前記可動薄膜を支持する弾性変形可能な支持部が形成された構成を有している。
この構成により、可動層が変形しやすくなるため、可動ミラーの振動幅を拡大することができる。
【００１７】
また、本発明の平行移動ミラーは、可動ミラーの反射面が凹面状である構成を有していてもよい。
【００１８】
本発明の光モジュールは、上記のいずれかの平行移動ミラーと、前記平行移動ミラーと対向する対向板と、前記対向板上の前記可動ミラーと対向する位置に形成された固定ミラーと、前記可動ミラーと前記対向板を連結させるとともに、両者間に所定距離のギャップを与え、前記貫通孔から入射した光と非交差となるように配置されたギャップ層と、を備えた構成を有している。
【００１９】
この構成により、上記のいずれかの平行移動ミラーを用いることで光透過特性が安定した波長可変光フィルタなどの光モジュールを実現できる。
【００２０】
本発明の光モジュールは、前記固定ミラーの代わりに半導体レーザを備える構成を有している。
この構成により、上記のいずれかの平行移動ミラーを用いることで出力光特性の安定した波長可変光源などの光モジュールを実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、再現性の良い安定した平行移動が可能な平行移動ミラーを実現するとともに、該平行移動ミラーを用いることで光透過特性が安定した波長可変光フィルタや出力光特性が安定した波長可変光源などの光モジュールを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図
【図２】振動部の構造例を示す上面図および断面図
【図３】振動部の他の構造例を示す上面図
【図４】本発明の第１の実施形態の製造工程の一部を示す断面図
【図５】本発明の第１の実施形態の製造工程の一部を示す断面図
【図６】本発明の第２の実施形態を示す断面図
【図７】本発明の第２の実施形態の他の構成例を示す断面図
【図８】従来の波長可変光フィルタの構成例を示す断面図
【図９】従来の波長可変光フィルタの要部の構成例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る平行移動ミラーおよびそれを用いた光モジュールの実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明に係る平行移動ミラーの実施形態を図１に示す。図１は、本実施形態の平行移動ミラー２０の断面図である。
【００２５】
平行移動ミラー２０は、図１に示すように、光を入射させるための貫通孔２を有する基台１と、基台１と対向する可動層４と、基台１と可動層４を電気的に分離した状態で連結させるとともに、両者間に所定距離のギャップを与え、貫通孔２から入射した光の光路と非交差となるように配置された絶縁層３と、可動層４内に形成され貫通孔２上に位置する可動薄膜としてのメンブレイン４１およびメンブレイン４１の基台１とは反対側の表面に形成された可動ミラー５からなる振動部６と、振動部６の共振周波数ｆに等しい周期で振動部６を振動させる駆動装置１０と、を備える。
【００２６】
なお、平行移動ミラー２０は、可動層４内に形成されメンブレイン４１を支持する弾性変形可能な支持部４２をさらに備えていてもよい。
【００２７】
基台１および可動層４は例えばＳｉからなり、絶縁層３は例えばＳｉＯ2からなる。ここで、少なくとも可動層４は入射光に対して十分に透明である必要がある。可動ミラー５は、誘電体多層膜の高反射（ＨＲ）コートでなり、その反射面は凹面状であっても、平面状であってもよい。
【００２８】
振動部６は、メンブレイン４１上の可動ミラー５以外の部分に形成され、振動部６の共振のＱ値を改善するための円環状のおもり部７をさらに備える。おもり部７は例えばＡｕなどの比較的密度の高い金属からなることが好ましい。Ａｕなどの金属は、蒸着、スパッタリングおよびメッキなどにより、容易にメンブレイン４１上に堆積させることができる。
【００２９】
駆動装置１０は、振動部６の共振周波数ｆに等しい周波数の交流電圧を基台１と可動層４の間に印加することにより、基台１と可動層４との間に共振周波数ｆに対応した周期で静電引力を発生させる。これにより、少ない電力で振動部６を大きな振幅で振動させることができる。
【００３０】
図２は、振動部６の構造の一例を示す図であり、図２（ａ）は可動層４および振動部６の上面を、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面を示している。また、振動部６の構造の他の例を図３に示す。
【００３１】
これらの図に示すように、振動部６の構造は複雑であり、その共振周波数ｆは、メンブレイン４１およびおもり部７の形状および材質など様々なパラメータによって決まる。そこで、ここでは簡単のためにばね定数ｋのばねと質量ｍのおもりからなる最も単純な振動系に置き換えて、振動部６のおもり部７の役割を説明する。
【００３２】
このとき、振動部６の共振周波数ｆは次式で与えられる。
【数１】
2010211032.tif 000003
【００３３】
同振動系で生じる抵抗成分を表す変数をＲとすると、共振のＱ値は次式で与えられる。
【数２】
2010211032.tif 000004
【００３４】
［数２］から明らかなように、Ｑ値を高めるためには、質量ｍもしくはばね定数ｋを大きくすればよい。実際には、所望の共振周波数ｆを得るために、その共振周波数に合わせた適切なｍとｋの組み合わせを選べばよく、ｆを１０Ｈｚ〜数１０ｋＨｚの任意の値に設定することができる。
【００３５】
ばね定数を増加させる手段としては、可動層４の層厚を増す方法がある。また、振動部６が支持部４２を有する場合には、支持部４２の形状を変更してもよい。
【００３６】
また、質量ｍを変える方法には、上記の可動層４の層厚を増す方法も考えられるが、同方法ではばね定数ｋも同時に変わってしまう。このため、可動層４とは別に適切な質量のおもり部７を設けることにより、ばね定数ｋと独立に質量ｍを調整することができる。
【００３７】
さらに、おもり部７をＡｕなどの密度の高い金属とすれば、密度の低い金属より質量ｍの可変幅を大きくできるため、共振周波数ｆおよびＱ値の選択幅を広げることができる。
【００３８】
また、選択できる共振の振動モードは、振動部６の平行移動が保証されるものであれば１つに限られない。
【００３９】
また、メンブレイン４１もしくは支持部４２の加工精度に問題が生じた場合には、おもり部７の一部をレーザなどでトリミングすることで、振動部６全体の構造のバランスをとり、その変位の平行度を修正することもできる。これにより、歩留まりを改善することができる。
【００４０】
なお、上記では、駆動装置１０が静電引力によって振動部６を振動させる例を示したが、支持部４２などに圧電材料を堆積したり、支持部４２そのものを圧電材料として、それに電圧を印加することで発生される機械的振動を用いることもできる。また、磁性体、磁石や電磁石の任意の組み合わせによる磁力を使うこともできる。
【００４１】
以下、本発明に係る平行移動ミラー２０の製造方法の一例を図面を参照しながら説明する。
【００４２】
まず、図４（ａ）に示すＳＯＩ基板の可動層４の上にマスク（図示せず）を施し、エッチング処理により凹面部４ａを形成する（図４（ｂ））。ここで、基板１はＳｉ、絶縁層３はＳｉＯ2、可動層４はＳｉからなっている。なお、エッチング処理の代わりに研磨などによって凹面部４ａを形成してもよい。
【００４３】
次に、凹面部４ａを有する可動層４の上面にマスク（図示せず）を施す。そして、エッチング処理により、可動層４に支持部４２を形成する（図４（ｃ））。
【００４４】
次に、共振のＱ値を向上させるためのＡｕなどの金属からなる円環状のおもり部７をメンブレイン４１上に形成する（図５（ａ））。その後、エッチング処理により、貫通孔２を形成するとともに、メンブレイン４１および支持部４２と接する部分の絶縁層３をエッチングで除去する（図５（ｂ））。
【００４５】
そして、凹面部４ａに高反射（ＨＲ）コートを施して可動ミラー５を形成する。さらに、メンブレイン４１の下面側に無反射（ＡＲ）コート８を施す（図５（ｃ））。このＡＲコート８により、メンブレイン４１の下面側での無用な光の反射を抑制できる。
【００４６】
このように構成された本実施形態の平行移動ミラー２０は、マイケルソン干渉計をはじめとする各種干渉計の可動ミラーとして利用することができる。さらに、同ミラーをアレイ状に配置すれば、同一ビーム断面における光の位相調整も可能になるため、所謂ビームプロファイラとして用いることもできる。
【００４７】
また、第２の実施形態で説明するように、本実施形態の平行移動ミラー２０は、波長可変光フィルタまたは波長可変光源の可動ミラーとしても利用することができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の平行移動ミラーは、振動部の共振のＱ値を改善するためのおもり部を備えることにより、再現性の良い安定した平行移動を実現することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
以下、第１の実施形態の平行移動ミラー２０を備えた波長可変光フィルタの実施形態について図面を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００５０】
本実施形態の波長可変光フィルタ５０は、図６に示すように、第１の実施形態の構成に加えて、可動層４と対向する対向板１２と、可動ミラー５と対向板１２を連結させるとともに、両者間に所定距離のギャップを与え、貫通孔２から入射した光と非交差となるように配置されたギャップ層１１と、対向板１２上の可動ミラー５と対向する位置に形成された固定ミラー１３と、を備える。
【００５１】
ギャップ層１１は、例えばＳｉＯ2などの絶縁層、Ｓｉ基板、ガラス板あるいは、可動層４上に対向板１２を固定するために用いられる、はんだ、エポキシ系やアクリル系等の接着剤を硬化させたものであってもよい。接着剤の場合、その硬化の方法としては、紫外線硬化、熱硬化あるいはそれらを併用してもよい。対向板１２は、入射光に対して十分に透明である必要がある。例えば、１．５μｍ帯など通信帯の光であれば、Ｓｉを対向板とすることができる。
【００５２】
第１の実施形態で述べたように、ＡＲコート８はメンブレイン４１の下面側での無用な光の反射を抑制するため、例えば、固定ミラー１３とメンブレイン４１の下面側の間に一対のミラー面からなる光波長フィルタが形成されることを避けることができ、波長可変光フィルタ５０の出射光の単色性を向上させることができる。
【００５３】
固定ミラー１３は、例えばＨＲコートからなり、その反射面は凹面状であっても、平面状であってもよい。可動ミラー５および固定ミラー１３の反射面が共に凹面状の場合は、可動ミラー５および固定ミラー１３によって構成される光フィルタ内で光が干渉する時間が長くなることにより、波長可変光フィルタ５０の出射光の単色性が向上するため特に好ましい。
【００５４】
以上のように構成された本実施形態の波長可変光フィルタ５０において、駆動装置１０によって所望の共振周波数ｆに等しい周波数の交流電圧が基台１と可動層４の間に印加されると、可動ミラー５を有するメンブレイン４１が波長可変光フィルタ５０の厚さ方向に共振周波数ｆで振動する。
【００５５】
このとき、基台１の貫通孔２から入射した光は、メンブレイン４１を透過し、可動ミラー５および固定ミラー１３によって構成される光フィルタ内を往復する。そして、共振周波数ｆで振動する可動ミラー５と固定ミラー１３との距離に応じた波長の光が、対向板１２を透過して外部に出射される。
【００５６】
本実施形態の波長可変光フィルタ５０は、再現性の良い安定した平行移動が可能な平行移動ミラーを備えるため、共振周波数ｆの掃引周期ごとのフィルタ特性の再現性も極めて高く、安定した動作を実現できる。
【００５７】
なお、本実施形態では、対向板１２に固定ミラー１３が形成された波長可変光フィルタ５０を例としたが、図７に示すように、固定ミラー１３の代わりに面発光レーザなどの半導体レーザ１４を配置すれば、ファブリーペロー型の波長掃引可能な外部共振器レーザ６０を実現することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
１  基台
２  貫通孔
３  絶縁層
４  可動層
５  可動ミラー
６  振動部
７  おもり部
１０  駆動装置
１１  ギャップ層
１２  対向板
１３  固定ミラー
１４  半導体レーザ
２０  平行移動ミラー
４１  メンブレイン（可動薄膜）
４２  支持部
５０  波長可変光フィルタ（光モジュール）
６０  外部共振器レーザ（光モジュール）
【図１】
2010211032.tif 000005
【図２】
2010211032.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010211032.tif 000010
【図７】
2010211032.tif 000011
【図８】
2010211032.tif 000012
【図９】
2010211032.tif 000013