(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する第１基板（２１）と、
前記第１基板に形成され、その一面側が高反射率に形成された固定ミラー（２２）と、
透光性を有し、前記第１基板に平行に対向する状態で配置された第２基板（３１）と、
前記第２基板に形成され、その一面側が高反射率に形成され、該高反射率面を前記固定ミラーの高反射率面に対向させた可動ミラー（３２）と、
前記可動ミラーを前記固定ミラーとの距離が変化する方向に移動させ、前記固定ミラーと前記可動ミラーの間を透過する光の波長を変化させるミラー駆動手段とを有する波長可変光フィルタにおいて、
前記可動ミラーは、前記第２基板に形成された穴（３１ａ〜３１ｄ）の内側に配置され、
前記ミラー駆動手段は、
前記可動ミラーの中心から前記第２基板の外縁に向かう線に直交し、且つ前記穴の外縁の異なるそれぞれの位置から一直線をなすように内方へ延び、長さ方向に捩れ変形自在な一対の軸（４２、４３）と、
前記穴の内部に配置され、前記一対の軸の先端にその外縁が連結されて該一対の軸を中心に回動自在に支持された回動板（４１）と、
前記可動ミラーの外縁から前記回動板の一端側との間を連結する可撓性を有するヒンジ（３５）と、
前記回動板の他端側と前記第２基板の外縁との間に電圧を印加して、前記回動板に前記軸を中心とする回動力を与えるための電極（４６、４９）とを一組の駆動機構とし、
当該駆動機構が前記可動ミラーの周りに等間隔で３組以上設けられていることを特徴とする可変波長光フィルタ。
【請求項２】
前記固定ミラーの前記一面側の反対面側が低反射率に形成され、前記可動ミラーの前記一面側の反対面側が低反射率に形成されていることを特徴とする請求項１記載の可変波長光フィルタ。
【請求項３】
前記可動ミラーの外縁部にスリット（５１Ａ〜５１Ｃ）が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の可変波長光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行に対向する２つのミラーの距離を変化させてミラー間を透過する光の波長を可変させるファブリペロー型の可変波長光フィルタにおいて、ミラー変形による選択特性の劣化が少なく、低い駆動電圧で波長を大きく変化させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変光フィルタとして、平行に対向する２つのミラーの距離を変化させてミラー間を透過する光の波長を可変させるファブリペロー型（キャビティ型）の光フィルタが知られており、この光フィルタとして半導体基板等に対するエッチング技術で構成した所謂ＭＥＭＳ構造のものが実現されている。
【０００３】
図１０は、従来のＭＥＭＳ構造の光フィルタの断面構造を示ものである。この光フィルタは、透光性を有する第１基板１と第２基板１０とをスペーサ９を挟んで重ね合わせた構造を有しており、第１基板１には、下面側中央に形成された高反射率のＨＲ膜３と、その反対面側に形成された低反射率のＡＲ膜４とにより固定ミラー２が形成されている。また、このＨＲ膜３の外側には複数の電極５が設けられている。なお、ここでは第１基板１を非導電性とするが、導電性の基板の場合には、非導電性のＨＲ膜３を大きく形成し、その表面外縁に複数の電極５を設けてもよい。
【０００４】
一方、第２基板１０は導電性を有し、その中央には、外側をエッチング処理により除去されて形成された可動ミラー１２が、可撓性を有する複数のヒンジ１１により上下動可能な状態で支持されている。
【０００５】
可動ミラー１２は、第２基板１０の上面側に形成されたＨＲ膜１３とその反対面側に形成されたＡＲ膜１４とにより構成され、第１基板１と第２基板１０とが一体的に重ね合わされたとき、固定ミラー２に対してほぼスペーサ９の厚さ分離れた状態で平行に支持されている。
【０００６】
このような構造の光フィルタで、図１０の（ａ）のように、第２基板１０を基準として、第１基板１の各電極５に電圧が印加されていない（Ｖ＝０）の場合、上記したように、可動ミラー１２は固定ミラー２からスペーサ９の厚さ分離れた位置で平行に支持されており、この状態で例えば可動ミラー１２の下面側から広帯域光Ｐ０が入力されると、ミラー間の距離によって決まる波長間隔の光Ｐ１が固定ミラー２側から出射される。
【０００７】
また、図１０の（ｂ）のように、第１基板１の各電極５に絶対値がゼロボルトより大きな電圧Ｖを印加すると、各電極５と可動ミラー１２との間に静電的な引力が生じて、可動ミラー１２が固定ミラー２側に近づき、電圧を印加しない場合に比べて狭い波長間隔の光Ｐ２が固定ミラー２側から出射されることになる。
【０００８】
したがって、電極５に印加する電圧を可変することで、ミラー間を通過する光の波長を変化させることができる。
【０００９】
なお、上記構造の光フィルタは、例えば、次の特許文献１に開示されている。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６３７３６３２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記構造の光フィルタでは、可動ミラー１２自体に力を加えているため、その厚さが薄い場合、可動ミラー１２自体に歪みが発生して、平行度が悪くなり、フィルタとしての選択特性が劣化するという問題があった。
【００１２】
また、電極５と可動ミラー１２との間に印加した電圧により、可動ミラー１２を移動させているので、大きな移動距離を得るためには、非常に高い直流電圧が必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決し、フィルタの選択特性が良好で、低電圧駆動が可能な可変波長光フィルタを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の可変波長光フィルタは、
透光性を有する第１基板（２１）と、
前記第１基板に形成され、その一面側が高反射率に形成された固定ミラー（２２）と、
透光性を有し、前記第１基板に平行に対向する状態で配置された第２基板（３１）と、
前記第２基板に形成され、その一面側が高反射率に形成され、該高反射率面を前記固定ミラーの高反射率面に対向させた可動ミラー（３２）と、
前記可動ミラーを前記固定ミラーとの距離が変化する方向に移動させ、前記固定ミラーと前記可動ミラーの間を透過する光の波長を変化させるミラー駆動手段とを有する波長可変光フィルタにおいて、
前記可動ミラーは、前記第２基板に形成された穴（３１ａ〜３１ｄ）の内側に配置され、
前記ミラー駆動手段は、
前記可動ミラーの中心から前記第２基板の外縁に向かう線に直交し、且つ前記穴の外縁の異なるそれぞれの位置から一直線をなすように内方へ延び、長さ方向に捩れ変形自在な一対の軸（４２、４３）と、
前記穴の内部に配置され、前記一対の軸の先端にその外縁が連結されて該一対の軸を中心に回動自在に支持された回動板（４１）と、
前記可動ミラーの外縁から前記回動板の一端側との間を連結する可撓性を有するヒンジ（３５）と、
前記回動板の他端側と前記第２基板の外縁との間に電圧を印加して、前記回動板に前記軸を中心とする回動力を与えるための電極（４６、４９）とを一組の駆動機構とし、
当該駆動機構が前記可動ミラーの周りに等間隔で３組以上設けられていることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の請求項２記載の可変波長光フィルタは、請求項１記載の可変波長光フィルタにおいて、
前記固定ミラーの前記一面側の反対面側が低反射率に形成され、前記可動ミラーの前記一面側の反対面側が低反射率に形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の請求項３記載の可変波長光フィルタは、請求項１または請求項２記載の可変波長光フィルタにおいて、前記可動ミラーの外縁部にスリット（５１Ａ〜５１Ｃ）が形成されている。
【発明の効果】
【００１７】
このように本発明の波長可変光フィルタは、可動ミラー自身に直接力を与えずに、回動板に与えた回動力を、ヒンジを介して可動ミラーに間接的に伝達しているので、可動ミラーに歪みが生じにくく、良好な選択特性を維持できる。
【００１８】
また、回動板の回動中心を電極側に近づけることで、先端側の移動量を大きくすることができ、低電圧駆動で大きな波長変化を与えることができる。
【００１９】
また、可動ミラーの外縁部にスリットを形成したことにより、ＡＲ膜やＨＲ膜の蒸着等によるミラーの反りを防止でき、より良好な選択特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図６は、本発明を適用したＭＥＭＳ構造のファブリペロー型の可変波長光フィルタ２０（以下、単に光フィルタ２０と記す）の構造を示している。
【００２１】
これらの図において、光フィルタ２０は、外形が同一（この例では正方形）で透光性を有する第１基板２１と第２基板３１とを重ね合わせた構造を有している。
【００２２】
第１基板２１および第２基板３１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁層１０１とシリコン（Ｓｉ）からなる導電層１０２とを有する２層構造のＳＯＩ基板に対するエッチング処理および蒸着処理により形成されている。
【００２３】
第１基板２１の中央部には固定ミラー２２が形成されている。固定ミラー２２は、第１基板２１の表面側（第２基板３１側）でエッチング処理により円形に残された導電層１０２と、その表面に円形に蒸着形成された例えば誘電体多層膜等からなる高反射膜２３（以下、ＨＲ膜２３と記す）と、このＨＲ膜２３に重なり合う位置で導電層１０２の裏面側に円形に蒸着形成された低反射率膜２４（以下、ＡＲ膜２４と記す）とにより構成されている。
【００２４】
なお、図４〜図６に示しているように、第１基板２１の絶縁層１０１のうち、固定ミラー２２が形成されている中心部分はエッチング処理により円形に除去されて穴２１ａを形成している。
【００２５】
一方、第２基板３１には、可動ミラー３２および可動ミラー３２を動かすための機構が一体的に形成されている。
【００２６】
即ち、第２基板３１の中央部には、第１基板２１と重なりあったときに固定ミラー２２と同心の円形状に形成された円形穴３１ａと、その円形穴３１ａを中心にして第２基板３１の外縁部まで放射状に且つ長方形状に延びた複数（この例では３つ）の矩形穴３１ｂ〜３１ｄが形成されている。各矩形穴３１ｂ〜３１ｄは、円形穴３１ａの中心に対して１２０度の間隔をあけて形成されている。
【００２７】
円形穴３１ａの内側には円形の可動ミラー３２が同心状に配置されている。可動ミラー３２は、エッチング処理により円形に残された導電層１０２と、その下面側（第１基板２１側）に円形に蒸着されたＨＲ膜３３と、その反対面に円形に蒸着されたＡＲ膜３４とにより構成されている。
【００２８】
可動ミラー３２の外周には各矩形穴３１ｂ〜３１ｄの方向に延び、長さ方向およびそれと直交する方向に可撓性を有するヒンジ３５Ａ〜３５Ｃの一端側が連結されている。
【００２９】
各ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃの他端側は、各矩形穴３１ｂ〜３１ｄの中央部に配置された回動板４１Ａ〜４１Ｃの先端にそれぞれ連結されている。
【００３０】
各回動板４１Ａ〜４１Ｃは、矩形穴３１ｂ〜３１ｄと中心線が一致する長方形状に形成され、その先端側の中央にヒンジ３５Ａ〜３５Ｃの一端側が連結されている。
【００３１】
また、各回動板４１Ａ〜４１Ｃの両側縁は、可動ミラー３２の中心から第２基板３１の外縁に向かう線に直交し、且つ矩形穴３１ｂ〜３１ｄの外縁の異なるそれぞれの位置（矩形穴３１ｂ〜３１ｄの両側縁）から一直線をなすように内方へ延び、その長さ方向に捩れ変形自在な一対の軸４２Ａ、４３Ａ、４２Ｂ、４３Ｂ、４２Ｃ、４３Ｃの先端に支持され、各軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃを中心に回動できるようになっている。
【００３２】
各回動板４１Ａ〜４１Ｃの後端には電極部４５Ａ〜４５Ｃが形成されている。
電極部４５Ａ〜４５Ｃには、矩形穴３１ｂ〜３１ｄの奥端方向へ櫛歯状に間隔をあけて平行に延びた複数本の電極４６が形成されている。なお、ここでは図示する都合上電極４６を３本にしているが、実際にはより多く設けることが望ましく、これは後述の電極４９についても同様である。
【００３３】
一方、第２基板３１の導電層１０２の表面側で各矩形穴３１ｂ〜３１ｄの奥端部近傍の位置には、絶縁板４７Ａ〜４７Ｃを介して導電性を有する電極板４８Ａ〜４８Ｃが設けられている。
【００３４】
各電極板４８Ａ〜４８Ｃには、回動板４１Ａ〜４１Ｃの各電極４６の隙間に入り込む幅と間隔で回動板４１Ａ〜４１Ｃ方向に櫛歯状に延びた複数本の電極４９がそれぞれ形成されている。
【００３５】
ここで、可動ミラー３２、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃ、回動板４１Ａ〜４１Ｃ、軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃおよび電極部４５Ａ〜４５Ｃは、第２基板３１の導電層１０２で形成されており、電極板４８Ａ〜４８Ｃは、この導電層１０２から絶縁板４７Ａ〜４７Ｃの厚さ分だけ高い位置で絶縁された状態になっている。
【００３６】
なお、上記構造の光フィルタ２０では、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃ、回動板４１Ａ〜４１Ｃ、軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃ、電極部４５Ａ〜４５Ｃ、電極板４８Ａ〜４８Ｃおよび制御回路６０によりミラー駆動手段が構成され、制御回路６０を除く部分が駆動機構となる。
【００３７】
このように構成された光フィルタ２０では、図３に示しているように、制御回路６０から、第２基板３１の導電層１０２を基準として、各電極板４８Ａ〜４８Ｃに直流電圧Ｖａ〜Ｖｃを印加することで、固定ミラー２２と可動ミラー３２の距離を変化させて、指定された選択波長情報に対応した選択特性を与えることができる。
【００３８】
即ち、各電極板４８Ａ〜４８Ｃに直流電圧を印加しない場合には、図７の（ａ）に示しているように、固定ミラー２２に対する可動ミラー３２の距離は、ＨＲ膜およびＡＲ膜の厚さを無視すると、第２基板３１の絶縁層１０１の厚さから導電層１０２の厚さを減じたものとなり、この状態で両ミラーは設計上平行状態となっており、この状態で、固定ミラー２２の下面側から広帯域光Ｐ０が入射されたとき、可動ミラー３２から出射される光Ｐ１のスペクトラムは、図８の（ａ）のように、固定ミラー２２と可動ミラー３２の距離によって決まる間隔Δλの各波長λ１、λ２、…でピークとなる。
【００３９】
そして、例えば、各電極板４８Ａ〜４８Ｃに絶対値がゼロボルトより大きい同一電圧を与えることで、各電極板４８Ａ〜４８Ｃの電極４９と回動板４１Ａ〜４１Ｃの電極４６との間に静電的な引力が生じて、図７の（ｂ）のように、各回動板４１Ａ〜４１Ｃが、軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃを中心に、その先端側が第１基板２１に近づく方向へ回動する。
【００４０】
このため、各回動板４１Ａ〜４１Ｃの先端側にヒンジ３５Ａ〜３５Ｃを介して支持された可動ミラー３２は固定ミラー２２側に平行状態を維持したまま移動することになる。このとき、各回動板４１Ａ〜４１Ｃの先端から可動ミラー３２の縁部までの距離は大きくなるが、その間に生じる張力により各ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃが伸長するので、可動ミラー３２は円滑に移動し、電極４６、４９の間に生じる引力と、軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃ、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃのバネ定数に依存した復帰力とが釣り合った状態で停止する。
【００４１】
このように固定ミラー２２と可動ミラー３２の距離が小さくなった状態で、固定ミラー２２の下面側から広帯域光Ｐ０が入射されたとき、可動ミラー３２から出射される光Ｐ２のスペクトラムは、図８の（ｂ）のように、Δλより小さい間隔Δλ′の各波長λ１′、λ２′、…でピークとなる。
【００４２】
また、この構造の光フィルタ２０では、可動ミラー３２自身に直接力を与えずに、回動板４１Ａ〜４１Ｃに与えた回動力を、ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃを介して可動ミラー３２に伝達しているので、可動ミラー３２に歪みが生じにくく、良好な選択特性を維持できる。
【００４３】
さらに、回動板４１Ａ〜４１Ｃの回動中心を電極側に近づけることで、先端側の移動量を大きくすることができ、低電圧駆動で大きな波長変化を与えることができる。
【００４４】
また、固定ミラー２２に対する可動ミラー３２の平行度は、各ヒンジ３５Ａ〜３５Ｃおよび軸４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃのバネ定数のバラツキにより多少変化するが、その場合には、制御回路６０が各電極板４８Ａ〜４８Ｃに与える直流電圧Ｖａ〜Ｖｃを指定された選択波長に応じて微調整することで対応できる。
【００４５】
なお、この実施形態では、可動ミラー３２をヒンジ３５Ａ〜３５Ｃを介して３つの回動板４１Ａ〜４１Ｃで３方から支持していたが、可動ミラー３２の周りに、回動板を含む駆動機構を４組以上等間隔に設けてもよい。
【００４６】
また、この実施形態では、固定ミラー２２に対して可動ミラー３２を近づける方向に回動板４１を駆動していたが、電極板４８を第２基板３１の下面側（第１基板２１側）に配置することで、固定ミラー２２に対して可動ミラー３２を遠ざける方向に回動板４１を駆動させることができる。
【００４７】
また、可動ミラー３２の表面にＨＲ膜やＡＲ膜を蒸着した場合に、その外縁部に反りが発生して、平行度が低下する場合があるが、このような場合には、図９に示すように、可動ミラー３２の外縁部にスリット５１Ａ〜５１Ｃを形成することで、ミラーの反りを防止し、より良好な選択特性を得ることができる。
【００４８】
また、各ミラー２２、３２の形状や第２基板３１の穴３１ａ〜３１ｄの形状については上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００４９】
また、以上の説明においては、固定ミラー２２と可動ミラー３２のＨＲ膜が形成された面の反対側の面にＡＲ膜が形成される構成としたが、これに限定されるものではなく、ＡＲ膜が形成されていない構成であってもよい。この構成であっても、入射される広帯域光のスペクトラムのレベルが多少減少するのみであり、良好な選択特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態の斜視図
【図２】実施形態の分解斜視図
【図３】実施形態の平面図
【図４】実施形態の背面図
【図５】図３のＡ１−Ａ２線断面図
【図６】図３のＡ１−Ａ３線断面図
【図７】実施形態の動作を説明するための概略図
【図８】実施形態の波長選択特性図
【図９】可動ミラーの外縁にスリットを設けた例を示す図
【図１０】従来装置の構成および動作を説明するための概略断面図
【符号の説明】
【００５１】
２０……波長可変光フィルタ、２１……第１基板、２２……固定ミラー、２３……ＨＲ膜、２４……ＡＲ膜、３１……第２基板、３２……可動ミラー、３３……ＨＲ膜、３４……ＡＲ膜、３５Ａ〜３５Ｃ……ヒンジ、４１Ａ〜４１Ｃ……回動板、４２Ａ〜４２Ｃ、４３Ａ〜４３Ｃ……軸、４５Ａ〜４５Ｃ……電極部、４６……電極、４７Ａ〜４７Ｃ……絶縁板、４８Ａ〜４８Ｃ……電極板、４９……電極、５１Ａ〜５１Ｃ……スリット、６０……制御回路
【図１】
0004473209.tif 000002
【図２】
0004473209.tif 000003
【図３】
0004473209.tif 000004
【図４】
0004473209.tif 000005
【図５】
0004473209.tif 000006
【図６】
0004473209.tif 000007
【図７】
0004473209.tif 000008
【図８】
0004473209.tif 000009
【図９】
0004473209.tif 000010
【図１０】
0004473209.tif 000011