(57)【要約】【課題】波長可変範囲及び分解能を同時に向上させることができる光フィルターを提供する。【解決手段】光軸上に対向して配置された三枚のミラー３、４、５からなり、中央のミラー４の反射率を両端のミラー３、５の反射率よりも高くすると共に、一方の端部のミラー３と中央のミラー４との距離Ｌ１と、中央のミラー４と他方の端部のミラー５との距離Ｌ２を異なるものとした光フィルター。【選択図】  図２
2005031326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸上に略対向して配置された三枚以上のミラーからなることを特徴とする光フィルター。
【請求項２】
請求項１記載の光フィルターにおいて、
外側のミラーの反射率よりも内側のミラーの反射率が大きいことを特徴とする光フィルター。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の光フィルターにおいて、
ミラー間の距離がそれぞれ異なることを特徴とする光フィルター。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光フィルターにおいて、
少なくとも１つのミラーを可動とする変位手段を有することを特徴とする光フィルター。
【請求項５】
請求項１記載の光フィルターにおいて、
ミラーを三つ有することを特徴とする光フィルター。
【請求項６】
請求項５記載の光フィルターにおいて、
中央のミラーの反射率を両端のミラーの反射率よりも高くすることを特徴とする光フィルター。
【請求項７】
請求項５又は請求項６記載の光フィルターにおいて、
一方の端部のミラーと中央のミラーとの距離と、中央のミラーと他方の端部のミラーとの距離が異なることを特徴とする光フィルター。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の光フィルターにおいて、
一方の端部のミラーと中央のミラーとの距離と、中央のミラーと他方の端部のミラーとの距離の比率と同じ比率で、
一方の端部のミラーと中央のミラーとの距離と、中央のミラーと他方の端部のミラーとの距離を変位させる変位手段を有することを特徴とする光フィルター。
【請求項９】
請求項４又は請求項８記載の光フィルターにおいて、
前記変位手段は、電圧を印加することで静電気力を生じる電極を、前記ミラーに設けたものであることを特徴とする光フィルター。
【請求項１０】
請求項９記載の光フィルターにおいて、
前記変位手段は、前記ミラーを可動に支持するシリコン層からなる支持部を有し、
前記支持部が、複数に分割されて電極として用いられるものであることを特徴とする光フィルター。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光フィルターにおいて、
ミラーを固定して支持する固定基板と、ミラーを可動に支持する可動体基板からなり、
前記固定基板に溝部を形成すると共に、前記可動体基板を前記溝部に挿入したことを特徴とする光フィルター。
【請求項１２】
請求項１１記載の光フィルターにおいて、
前記可動体基板におけるミラーを可動に支持する可動部の厚みを調整可能としたことを特徴とする光フィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過光波長の選択性を有する光フィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光波長多重通信においては、波長の異なる光から特定の波長の光を選択することが必要となる。又、化学分析等に用いられる分光装置でも、被測定試料から反射・透過する光から特定の波長の光を選択することが必要となる。
【０００３】
波長を選択する方法の一つとして、ファブリ・ペロー共振器を用いた方法が挙げられる。図１０に示すように、従来のファブリ・ペロー型光フィルターでは、光軸に沿って、ミラー４１、４２を、スペーサ４３を介して配置して、共振器を構成し、その共振器長や光軸に対する角度によって選択波長を決定する。
【０００４】
近年のマイクロ構造作製技術の進展により、機械構造のマイクロ化が可能になった。その中で、光フィルターのマイクロ化の例を挙げるならば、ダイヤフラム型光フィルター（非特許文献１参照）やカンチレバー型光フィルター（非特許文献２参照）が挙げられる。
【０００５】
図１１に従来技術によるダイヤフラム型光フィルターの断面図を示す。
上部基板４４及び下部基板４５の電極中央部は、反射膜４６と反射防止膜４７で挟まれた可動ミラーとなっており、反射膜４６の周辺部に電極４８、４９が形成されている。又、可動ミラーは、シリコン薄膜によって可動に支持されている。上部基板４４と下部基板４５はスペーサ５０によって接着され、これらが形成する共振器内は、真空又は気体とされている。電極４８、４９に異なる電圧を加えることで静電引力を生じさせ、共振器を構成する反射鏡（可動ミラー）を、光軸方向へ平行移動することにより、選択する波長をコントロールする。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｊ．  Ｈ．  Ｊｅｒｍａｎ  他，  ”Ａ  Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ  Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ｗｉｔｈ  ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｄｉａｐｈｒａｇｍ  ｓｕｐｐｏｒｔ”，  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ，  １９９１，  ２９，
ｐ１５１−１５８
【非特許文献２】
Ｅ．  Ｃ．  Ｖａｉｌ  他，  ”ＧａＡｓ  ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ｗｉｄｅｌｙ  ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｆｉｌｔｅｒｓ”，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ，  １９９５，  ｖｏ１．３１，  ｎｏ．３，  ｐ２２８−２２９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のファブリ・ペロー型光フィルターでは、光軸に沿ってミラーを２枚配置した共振器の光学長によって選択波長が決定される。この時、ミラーの反射率と共振器長から自由スペクトル域及び透過スペクトル幅が決定され、波長可変範囲は自由スペクトル域によって、分解能は透過スペクトル幅によって決まる。
【０００８】
図１２に、従来のファブリ・ペロー型光フィルターの透過特性を示す。
従来のファブリ・ペロー型光フィルターの透過特性においては、自由スペクトル域と透過スペクトル幅にはトレードオフがあり、自由スペクトル域を広げ、かつ、透過スペクトル幅を狭めることは、両立できなかった。即ち、波長可変範囲及び分解能を同時に向上させることはできなかった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、波長可変範囲及び分解能を同時に向上させることができる光フィルターを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
光軸上に略対向して配置された三枚以上のミラーからなることを特徴とする。
上記構成により、共振器構造を複数直列配置した構成となり、透過光波長の選択性を有する光フィルターとすることができる。
【００１１】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
外側のミラーの反射率よりも内側のミラーの反射率が大きいことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
ミラー間の距離がそれぞれ異なることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
少なくとも１つのミラーを可動とする変位手段を有することを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
ミラーを三つ有することを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
中央のミラーの反射率を両端のミラーの反射率よりも高くすることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
一方の端部のミラーと中央のミラーとの距離と、中央のミラーと他方の端部のミラーとの距離が異なることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
一方の端部のミラーと中央のミラーとの距離と、中央のミラーと他方の端部のミラーとの距離の比率と同じ比率で、一方の端部のミラーと中央のミラーとの距離と、中央のミラーと他方の端部のミラーとの距離を変位させる変位手段を有することを特徴とする
【００１８】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
変位手段は、電圧を印加することで静電気力を生じる電極を、ミラーに設けたものであることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
変位手段は、ミラーを可動に支持するシリコン層からなる支持部を有し、支持部が、複数に分割されて電極として用いられるものであることを特徴とする。
上記構成により、複数に分割された電極（シリコン層）に、それぞれ異なる電圧を印加することができ、それぞれ異なる変位量とすることで、電極（シリコン層）が可動に支持するミラーの傾き角の調整を行うことができる。
なお、支持部であり、電極でもある上記シリコン層は、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等の絶縁基板上に設けられた薄い膜厚のものでよい。
【００２０】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
ミラーを固定して支持する固定基板と、ミラーを可動に支持する可動体基板からなり、
固定基板に溝部を形成すると共に、可動体基板を溝部に挿入したことを特徴とする。
上記構成により、基板厚みに依存することなく、ミラー間の距離、すなわち、共振器長を適切に設定することができ、例えば、同程度の共振器長にすることが容易となる。
【００２１】
上記課題を解決する本発明に係る光フィルターは、
上記光フィルターにおいて、
可動体基板におけるミラーを可動に支持する可動部の厚みを調整可能としたことを特徴とする。
上記構成により、ミラー間の距離、すなわち、共振器長を可動部の厚みでも調整することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
（実施例１）
図１に本発明に係る光フィルターの実施形態の一例を示す。
図１に示すように、本発明に係る光フィルターでは、光軸上に対向して配置された複数のミラー１１、１２、１３、・・・、１Ｎを、複数のスペーサ２１、２２、２３、・・・、２Ｎ−１を介して、Ｎ枚配置することで、Ｎ−１個の共振器が直列に配置する構成となる。それぞれの共振器は、図１２に示すような透過特性を持つが、直列に接続することで全ての共振器で一致する透過波長のみを透過させるため、実質的に透過スペクトル幅を狭くすることができる。又、全ての共振器で一致する透過波長のみを透過させると共に、それ以外は減衰させることができるため、実質的に自由スペクトル域も広げることができる。
【００２４】
なお、詳細は後述するが、所定の透過特性を得るために、ミラー１１、１２、１３、・・・、１Ｎの反射率や、スペーサ２１、２２、２３、・・・、２Ｎ−１の長さが、それぞれ適切に設定されている。特に、ミラーの反射率については、外側のミラーの反射率より、内側のミラーの反射率が大きいことが望ましい。又、少なくとも１つのミラーに、ミラー間の距離を変位させる変位手段を設け、ミラー間の距離、すなわち、共振器長を変位させることで、所定の透過特性を得るようにしてもよい。
【００２５】
（実施例２）
図２に本発明に係る光フィルターの実施形態の他の一例を示す。
図２に示す光フィルターは、３つのミラー３、４、５を、光軸上に対向して設けた場合であり、長さＬ１のスペーサ６と長さＬ２のスペーサ７とを介して、それぞれのミラー３、４、５を配設した構成である。なお、スペーサ６の長さＬ１は、一方の端部のミラー３と中央のミラー４との距離であり、スペーサ７の長さＬ２は、中央のミラー４と他方の端部のミラー５との距離であり、これは、言い換えれば、長さＬ１の共振器と長さＬ２の共振器が２個直列に配置された構成である。
【００２６】
図３は共振器の透過特性を計算した結果のグラフであり、図３（ａ）はミラー３、４及びスペーサ６（長さＬ１）により構成される共振器の透過特性、図３（ｂ）はミラー４、５及びスペーサ７（長さＬ２）により構成される共振器の透過特性、図３（ｃ）は本実施例の光フィルターの透過特性を示す。
【００２７】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、それぞれの共振器の自由スペクトル域Ｆ１、Ｆ２は、Ｌ１とＬ２の逆数に比例する。Ｌ１とＬ２の異なる長さの共振器を直列に配置すること、即ち、Ｆ１とＦ２の異なる自由スペクトル域を有する共振器を直列に配置することは、両者の透過特性を掛け合わせることにほぼ等しい。従って、図３（ｃ）に示すように、本実施例の光フィルターでは、Ｆ１及びＦ２よりも大きい自由スペクトル域Ｆ１２が得られることとなる。更に、自由スペクトル域Ｆ１、Ｆ２を最適な値にすることで、全体の自由スペクトル域Ｆ１２を、最大でＦ１２＝Ｆ１×Ｆ２とすることができる。又、透過スペクトル幅ついても、両者の透過特性を掛け合わせることと等価であることから、透過スペクトル幅が個々の共振器の値よりも小さくなる。
【００２８】
なお、透過する波長を変化させる場合、図３（ｃ）の透過特性を維持したまま波長軸にシフトするには、ミラー間の距離を変位させる変位手段を設け、共振器長Ｌ１、Ｌ２をＦ１：Ｆ２＝１／Ｌ１：１／Ｌ２が一定であるように、Ｌ１、Ｌ２の変位量を増加、又は減少させればよい。又、変位量をそれぞれΔＬ１、ΔＬ２とするとき、変位後の共振器長（Ｌ１＋ΔＬ１）、（Ｌ２＋ΔＬ２）を、Ｌ１：Ｌ２＝（Ｌ１＋ΔＬ１）：（Ｌ２＋ΔＬ２）が一定になるように、変位量ΔＬ１、ΔＬ２を変位させても同等となる。
【００２９】
本実施例の光フィルターは、ミラーを３枚設けることで、共振器が２つ直列に接続する構成である。ところが、上記構成の場合、共振器同士の結合干渉によるリプルが透過ピーク上に生じ、透過波長にパワー損失が生ずる。このようなリプルを低減するためには、それぞれのミラーの反射率を適切に設定すればよい。具体的には、本実施例では、３枚のミラーのうち、両端のミラー３、５の反射率に比べ、中央のミラー４の反射率を最も高くすればよい。
【００３０】
図４は反射率の設定によるリプル低減の効果を示すグラフである。
ここでは、ミラー３、５の反射率を９５％とし、ミラー４の反射率をそれ以上の値９５％、９９％、９９．９％としたときのリプル低減の効果を図示した。図４に示すように、ミラー４の反射率が大きいほど、リプルが小さくなることがわかる。これは、実施例１に示したＮ枚のミラーを有する光フィルターにおいても同様であり、同等の構成を用いることで、リプルを低減することができる。
【００３１】
（実施例３）
次に、本発明に係る光フィルターの実施形態の更なる他の一例を示す。
図５は、本実施例の光フィルターであるデバイスの構造の断面図である。
【００３２】
本実施例の光フィルターは、ミラーを構成する反射膜１７等を可動に支持する２つの可動体基板１１、１２と、それらに挟まれるように配置され、ミラーを構成する反射膜２４等を固定して支持する１つの固定基板１３から構成され、それぞれの基板の中央部分に設けた２つの反射膜１７と１つの反射膜２４が、光軸上に対向して配置されている。本実施例の光フィルターでは、電極パッド２５上のスペーサ２５ａ及び枠体２０（可動体基板１２側）がスペーサの役割を果たし、更に、２つの反射膜１７を可動構造とすることで、所望の透過特性が得られるようにしている。
【００３３】
ここで、各基板の製造手順の一例を示しながら、それらの構造及び動作を説明する。なお、本実施例の光フィルターは、その一例として、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ
Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて構成する。
【００３４】
図６は、可動体基板１１の下面図（図５において、Ｂ方向から可動体基板１１を見た図）であり、図７は、可動体基板１１の上面図（図５において、Ａ方向から可動体基板１１を見た図）である。
【００３５】
可動体基板１１の下部側に、エッチングによって可動部１４と支持部１５を形成する。その後、絶縁層１６を除去し、可動部１４に反射膜１７を形成する。可動体基板１１では、薄膜シリコン層１８がエッチングにより複数に分離、分割され、それぞれの薄膜シリコン層１８に電極パッド１９を形成する。そして、可動体基板１１の上部において、ＫＯＨエッチングを用い、可動部１４のシリコン厚みを基板厚みよりも薄くする。更に、可動体基板１１の上部側は、枠体２０及び可動部１４を残して、高アスペクト加工用反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、又は、ＫＯＨウェットエッチングを用いてエッチングを行う。このとき、エッチングは絶縁層１６で止まり、更に、絶縁層１６を除去することで、支持部１５のみを残すことができる。その後、可動部１４の反射膜１７と反対側に反射防止膜２１を形成する。
【００３６】
下側の可動体基板１２は、上側の可動体基板１１に形成する反射膜１７、反射防止膜２１の位置関係（基板の裏表）が異なる以外は、構造、作製工程が同一である。したがって、全く同一に作製し、最後に、ダイシングによって異なる大きさに切り出して、可動体基板１１、１２としてもよい。
【００３７】
上記可動体基板１１、１２では、可動部１４に形成された反射膜１７及び反射防止膜２１が可動ミラーを構成し、薄膜シリコン層により形成された支持部１５により可動に支持されている。この支持部１５において、反射膜１７の周辺部の支持電極部１５ａは、静電気力を生じる電極の役割も果たし、電極パッド１９を介して電圧を印加することにより、可動ミラー部分を任意に変位させることができる（変位手段）。
【００３８】
次に、固定基板１３について説明する。
図８は、固定基板１３の上面図（図５において、Ａ方向から固定基板１３を見た図）であり、図９は、固定基板１３の下面図（図５において、Ｂ方向から固定基板１３を見た図）である。
【００３９】
固定基板１３の上部側に絶縁膜２２を形成し、その上に金属配線２３を形成する。絶縁膜２２をパターニングし、中央部分をエッチングした後、反射膜２４を形成する。次に、固定基板１３の上部に熱膨張率が小さい部材（例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＦｅＮｉ合金）を用いたスペーサ２５ａを直接接合で貼り付けるか、又は蒸着やメッキで堆積し形成する。固定基板１３の下部側は、絶縁膜２９をマスクとして、ＤＲＩＥを用いて周辺溝２６、中央溝２７を同時に形成した後に、中央枠体２８上の絶縁膜２９を除去する。金属配線３０及び電極パッド３１、３２を形成し、反射防止膜３３を中央溝２７の底部に形成する。
【００４０】
固定基板１３の上部にある電極パッド２５上に可動体基板１１を、例えば、Ａｕ／Ｓｎ等の接合用金属を介して、又は接着剤で貼り合わせる。同様に、固定基板１３の下部には、可動体基板１２を裏返しにしてから、周辺溝２６に挿入し、接着剤等で接着する。このとき、反射膜１７、２４の距離は、可動体基板１２の反射膜１７部分の基板厚さ（可動部１４の厚さ）によって調整することができる。
【００４１】
そして、固定基板１３の下部の電極パッド３１及び可動体基板１２の電極パッド１９をワイヤボンディングで導通させる。又、固定基板１３下部の電極パッド３２も同様に導通させる。固定基板１３を接地し、可動体基板１１、１２側に電圧を印加することで、可動体基板１１、１２に形成された可動部１４を、支持電極部１５ａにより、静電的に駆動する機構を有する静電アクチュエータが形成できる。
【００４２】
支持電極部１５ａは支持部１５を介して、それぞれ異なる薄膜シリコン層１８に接続され、薄膜シリコン層１８はそれぞれ異なる電極パッド１９を有する。したがって、電極パッド１９にそれぞれ異なる電圧を加えることで、支持電極部１５ａをそれぞれ異なる変位量とすることができ、可動部１４に形成された反射膜１７の傾きを補正することも可能となる。
【００４３】
なお、本実施例では、可動ミラーのアクチュエータを静電気力によるものとしたが、静磁力、圧電効果、バイモルフ効果、形状記憶合金等を用いたアクチュエータでも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明によれば、光軸上にミラーを複数配置したので、自由スペクトル域を広くし、かつ、透過スペクトル幅を同時に狭くすることができ、従来の光フィルターに比べ、広い波長可変範囲と高い分解能を併せ持つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光フィルターの実施形態の一例であり、ミラーを直列で複数個並べた構成例である。
【図２】本発明に係る光フィルターの実施形態の他の一例であり、ミラーを直列で３個並べる構成例である。
【図３】（ａ）はミラー３、４による光フィルターの透過特性、（ｂ）はミラー４、５による光フィルターの透過特性、（ｃ）はミラー３、４、５による実施例２の光フィルターの透過特性である。
【図４】実施例２の光フィルターにおいて、ミラー３、５の反射率を９５％とし、ミラー４の反射率を９５、９９、９９．９％にしたときの透過特性である。
【図５】本発明に係る光フィルターの実施形態の更なる他の一例であり、ＳＯＩ基板を用いた光フィルターの断面図である。
【図６】図５に示す実施例３の光フィルターの可動体基板１１の下面図である。
【図７】図５に示す実施例３の光フィルターの可動体基板１１の上面図である。
【図８】図５に示す実施例３の光フィルターの固定基板１３の上面図である
【図９】図５に示す実施例３の光フィルターの固定基板１３の下面図である
【図１０】従来のファブリ・ペロー型光フィルターの断面図である。
【図１１】シリコン基板を用いた従来のダイヤフラム型光フィルターの断面図である。
【図１２】従来の光フィルターにおける透過特性である。
【符号の説明】
１１、１２、１３、・・・、１Ｎ  ミラー
２１、２２、２３、・・・、２Ｎ−１  スペーサ
３、４、５  ミラー
６、７  スペーサ
１１、１２  可動体基板
１３  固定基板
１４  可動部
１５  支持部
１５ａ  支持電極部
１６  絶縁層
１７、２４  反射膜
１８  薄膜シリコン層
１９  電極
２０  枠体
２１  反射防止膜
２２  絶縁膜
２３  金属配線
２５  電極パッド
２５ａ  スペーサ
２６  周辺溝
２７  中央溝
２８  中央枠体
２９  絶縁膜
３０  金属配線
３１  電極パッド
３２  電極パッド
３３  反射防止膜
４１、４２  ミラー
４３    スペーサ
４４    上部基板
４５    下部基板
４６    反射膜
４７    反射防止膜
４８、４９  電極
５０  スペーサ
【図１】
2005031326.tif 000003
【図２】
2005031326.tif 000004
【図３】
2005031326.tif 000005
【図４】
2005031326.tif 000006
【図５】
2005031326.tif 000007
【図６】
2005031326.tif 000008
【図７】
2005031326.tif 000009
【図８】
2005031326.tif 000010
【図９】
2005031326.tif 000011
【図１０】
2005031326.tif 000012
【図１１】
2005031326.tif 000013
【図１２】
2005031326.tif 000014