(57)【要約】【課題】機械的感度と光学的感度を両立させることによって、高感度化および広帯域化を同時に図ることができ、アレイ化が容易となる超音波センサ及び超音波センサアレイ、これらを備えた超音波検出装置を提供する。【解決手段】超音波センサであって、  基板上に設けられ、超音波によって変位する可動部を含み構成される超音波受信部と、  前記超音波受信部に設けられた第１の反射膜と、前記基板上に保持された第２の反射膜とを、非固体媒質を介し対向配設して構成される共振器と、  を備え、前記超音波による可動部の変位を、該可動部の変位に応じた前記第１及び第２の反射膜間の相対距離の変化に基づく光学応答によって、検出する構成とする。【選択図】            図３
2009253493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波センサであって、
基板上に設けられ、超音波によって変位する可動部を含み構成される超音波受信部と、
前記超音波受信部に設けられた第１の反射膜と、前記基板上に保持された第２の反射膜とを、非固体媒質を介し対向配設して構成される共振器と、
を備え、前記超音波による可動部の変位を、該可動部の変位に応じた前記第１及び第２の反射膜間の相対距離の変化に基づく光学応答によって、検出することを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記第１及び第２の反射膜は、誘電体多層膜ミラー、金属ミラー、フォトニック結晶ミラーのうちのいずれか一つのミラー、またはそれらの組み合わせによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記第１及び第２の反射膜は、該反射膜の反射率が９０％以上であり、所定の波長において同じ反射率を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記非固体媒質を介し対向配設されている前記第１及び第２の反射膜間の距離は、光の波長程度とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項５】
超音波センサであって、
基板上に設けられ、超音波によって変位する可動部を含み構成される超音波受信部と、
前記音波受信部に設けられた第１のリング／ディスク共振器と、前記基板上に保持された第２のリング／ディスク共振器とを、非固体媒質を介し対向配設して構成された共振器構造と、
を備え、前記超音波による可動部の変位を、該可動部の変位に応じた前記第１及び第２のリング／ディスク共振器間の相対距離の変化に基づく光学応答によって、検出することを特徴とする超音波センサ。
【請求項６】
前記非固体媒質を介し対向配設されている前記第１及び第２のリング／ディスク共振器間の距離は、光の波長程度またはそれ以下とされていることを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波センサを、アレイ状に配列して構成されていることを特徴とする超音波センサアレイ。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波センサまたは請求項７に記載の超音波センサアレイを、超音波検出手段として備えていることを特徴とする超音波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサ及び超音波センサアレイ、これらを備えた超音波検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、非侵襲で体内の画像情報を取得する手段として、広く用いられている。
従来、超音波の送受信手段としては、ピエゾ素子が用いられてきた。
ピエゾ素子は超音波検出感度に関して優れた性能を発揮するが、小型化のための加工が難しく、解像度の向上が実質的に望めないことや、高速検出に限界があることによって、より高機能な画像情報の取得がむずかしいという課題がある（非特許文献１参照）。
また、環境的な配慮から、ピエゾ素子の代替機能を有する素子開発が望まれている。
【０００３】
一般に高速な超音波検出を可能とする技術として、電気的なものと光学的なものが知られている。前者はＣＭＵＴに代表される静電容量型のセンサ（非特許文献２参照）が含まれる。
一方、後者に含まれるものとして、古くからファブリーペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ；以下これをＦＰと記す）エタロン型のセンサが研究されてきた。
このようなセンサが研究されてきた理由は、電磁気ノイズの多い環境下でも容易にかつ高速にリモートセンシングできることによる。
すなわち、これによると超音波によるＦＰ内部媒質の屈折率変化に起因する透過率／反射率変化、端面ミラーの変形による光路長変化に起因する透過率／反射率変化、またはこれらの複合効果を検出することができる。
しかし、これらのセンサは、ピエゾ型の素子と比べ、超音波に対する感度が低いという課題を有している。
【０００４】
その理由として、つぎのような理由が挙げられる。
その一つは、上記の複合効果に含まれるＦＰ共振器の媒質の屈折率変化と共振器長変化は互いに相殺する効果であるにも関わらず、デカップルできていないことである。
一般に前者の効果は後者に比べて１桁ほど小さいため、無視できているともいえるが、感度損失であることは否めない。
もう一つの理由は、高いフィネスを持つ共振器と、高効率な機械的トランスデューサーの両立がむずかしいことによる。
ＦＰ共振器の共振器長変化を十分に得るためには、超音波による歪みを効果的にＦＰ共振器内に伝達できなければならない。
しかし、ＦＰ共振器を構成するミラーを超音波との良好なインピーダンスマッチングを保ちつつ、高反射率を与えるように設計することは、実質的にむずかしい。
【０００５】
特許文献１では、ファイバーブラッググレーティングと全反射ミラー（金属ミラーと思われる）を用いたＦＰ共振器を超音波センサに利用するようにした超音波検出方法が開示されている。
また、特許文献２では、超音波の送受信機構をモノリシックに構成する手段を備えた超音波診断装置が開示されている。
また、特許文献３では、メンブレンミラーの変位を利用した干渉計センサが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１０２２２７号公報
【特許文献２】特開２００３−１６９８０２号公報
【特許文献３】米国特許第６５６７５７２号明細書
【非特許文献１】Ｅ．Ｄ．Ｌｉｇｈｔ，ｅｔ  ａｌ．  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ，Ｖｏｌ．２０，ｐｐ．１−１５  （１９９８）
【非特許文献２】Ａ．Ｓ．Ｅｒｇｕｎ，Ｇ．Ｇ．Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕ，Ｂ．Ｔ．Ｋｈｕｒｉ−Ｙａｋｕｂ，Ｊ．Ａｅｒｏｓｐ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｖｏｌ．１６，ｐｐ．７６−８４  （２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、特許文献１の方法では、ファイバーブラッググレーティングはファイバ中に直接加工でき、また、ストップバンドのスペクトル帯域が狭くできる利点を有するが、誘起できる屈折率差が限られている。
そのため、反射率を高くするためには１０００層以上の多層構造が必要となり、バンド波長の温度依存性が著しくなる。
また、特許文献１の方法では、超音波によって、ＦＰ内部媒質の屈折率変化に起因する応答と、端面ミラーの変形による共振器長変化に起因する応答が含まれている。
しかし、これらは互いに光学応答としてはキャンセルされる効果があり、感度を低下させてしまう原因となる。
さらに、超音波パワーをＦＰ構造に結合させるためには、超音波の入射側に十分に薄い金属ミラーを利用する必要があるが、薄膜金属ミラーでは反射率が低下し（厚膜によって得られる反射率はたかだか〜９８％程度）、光共振器としての高いフィネスは得られない。
【０００７】
また、特許文献２の装置は、超音波受信部は誘電体多層膜から構成されるが、これらの多層膜自身が超音波から受ける変形を利用しており、バンド端の急峻さを利用していることから、積層数を増やさなければ（２００層以上）、十分な感度は得られない。
また、ＦＰエタロンに関して開示されているが、ここでは誘電体エタロン全体が変形する構成となっており、機械的感度と光学的感度を両立させる手段に関しては何も開示されていない。
また、特許文献３ではメンブレンミラーの変位を利用した干渉計センサを開示しているが、このようなメンブレン構造では変形量が小さいことから、高感度化や広帯域化を図る上で、必ずしも適したものではない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、機械的感度と光学的感度を両立させることによって、高感度化および広帯域化を同時に図ることができ、アレイ化が容易となる超音波センサ及び超音波センサアレイ、これらを備えた超音波検出装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、つぎのように構成した超音波センサ及び超音波センサアレイ、これらを備えた超音波検出装置を提供するものである。
本発明の超音波センサは、
基板上に設けられ、超音波によって変位する可動部を含み構成される超音波受信部と、
前記超音波受信部に設けられた第１の反射膜と、前記基板上に保持された第２の反射膜とを、非固体媒質を介し対向配設して構成される共振器と、
を備え、前記超音波による可動部の変位を、該可動部の変位に応じた前記第１及び第２の反射膜間の相対距離の変化に基づく光学応答によって、検出することを特徴とする。
また、本発明の超音波センサは、
基板上に設けられ、超音波によって変位する可動部を含み構成される超音波受信部と、
前記音波受信部に設けられた第１のリング／ディスク共振器と、前記基板上に保持された第２のリング／ディスク共振器とを、非固体媒質を介し対向配設して構成された共振器構造と、
を備え、前記超音波による可動部の変位を、該可動部の変位に応じた前記第１及び第２のリング／ディスク共振器間の相対距離の変化に基づく光学応答によって、検出することを特徴とする。
また、本発明の超音波センサアレイは、上記したいずれかに記載の超音波センサを、アレイ状に配列して構成されていることを特徴とする。
また、本発明の超音波検出装置は、上記したいずれかに記載の超音波センサまたは上記超音波センサアレイを、超音波検出手段として備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、機械的感度と光学的感度を両立させることによって、高感度化および広帯域化を同時に図ることができ、アレイ化が容易となる超音波センサ、該超音波センサを備えた超音波検出装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以上の構成によれば、機械的感度と光学的感度を両立させることができるが、それは、本発明者らの検討した結果によるつぎのような知見に基づくものである。
【００１２】
すなわち、第１の反射膜またはリング／ディスク共振器と、第２の反射膜またはリング／ディスク共振器を非固体媒質（真空、気体または液体）を介して配置することで、超音波による可動部の機械的変位を光学設計要素と独立に最大化することができ、
また、反作用等による影響を低減し、前記第１及び第２の反射膜またはリング／ディスク共振器間の相対距離の変化に効果的に反映させて検出することができるという知見に基づくものである。
【００１３】
以下に、これらについて更に詳細に説明する。
超音波光センサにおいて、センサの応答は振動子の機械的変位と、その変位に対する光学応答の積となるため、両者を最大化することが高感度化の上で重要であることは既に述べた。
前者に関しては、ヤング率が小さく、入射超音波に対してインピーダンス整合できる誘電体棒がよいことが一般に知られている。
また、超音波の動作周波数付近に、振動子の共振周波数がくるように、振動子の長さを設計するのが望ましい。
これにより、広帯域でかつ、単位圧力に対して大きな変位を得ることができるからである。
【００１４】
光検出手段には、上記したファブリーペロー（ＦＰ）共振器、または干渉計（特許文献３参照）が広く用いられている。
ＦＰ共振器の場合、共振器全体が機械的振動子である構造が一般的である。
共振器の光学応答は、多光波干渉の結果として、等周波数間隔に共鳴構造を有し、反射と透過は互いに相補的なピーク構造になっている。
そして、この共鳴構造の波長は、共振器長（共振器を構成する反射鏡間の距離）や、共振器を構成するミラーの反射率に依存して変化する。
従って、高感度検出にはスペクトル共鳴構造としてシャープな（Ｑ値の高い）スペクトル応答が望ましい。
Ｑ値を上げるためには、ミラーの反射率を高くする必要がある。金属薄膜では近赤外波長域において〜９５％程度の反射率がせいぜいであり、より高いＱ値を実現するには、例えば誘電体多層膜を利用する必要がある。
しかし、共振器長が固体媒質で構成される従来の超音波光検出手法では、共振器長の変化は誘電体多層膜における超音波の反射によって、その効果は低減され、その代わりに誘電体多層膜の歪み自身が応答として検出される構成であることが多い（特許文献２参照）。
この場合、上記２つの効果は必ずしも加算的な効果にはならず、また応答の非線形性も大きくなってしまう。
ここで、注意しておきたいのは、主な光学応答の起源は共振器長の変化によるという点である。従って、共振器長の変化のみを選択的に取り出せる構造が望ましいといえる。
【００１５】
そこで、本発明は、ＦＰ共振器内媒質を非固体物質（例えば真空や気体）で構成することにより、光学的要素（反射膜）が機械的振動子の変位機構からデカップルされるように構成される。
これにより、単位圧力に対して大きな変位を生じる機械的振動子とＱ値の高い光共振器の組み合わせを同時に独立に最適化することが可能になる。
このようにすることによって、従来のＦＰ共振器と比較して、より高感度検出が可能な微小共振器を用いることができるだけでなく、導波路型共振器の結合系へ応用することもできる。
このようなデカップリングの重要性を示すために、以下ではまず光共振器の特性について説明し、更にどのような構造が望ましいか等について説明する。
そして、そのような形態を実現するための機械的振動機構に関して述べ、本発明の構成によって高感度の超音波センサが実現できることについて、更に順次説明する。
【００１６】
光共振器に関しては、ＦＰ共振器と、ディスク／リング共振器に分けて説明する。
（ＦＰ共振器）
ＦＰ共振器は２枚のミラーを対向させることによって構成され、共振器長とミラーの光学応答に依存したスペクトル応答が得られる。
２枚のミラーの反射率が等しいときに干渉の明瞭度は最大となるため、同種のミラーを用いることで、深い共鳴構造が得られる。
当然のことながら明瞭度は反射率が高ければ高いほど大きくなる。
明瞭度はＳ／Ｎやダイナミックレンジを決めるファクタであるため、実質的なデバイスを構成するために反射膜の反射率は９０％以上（金属薄膜の反射率以上）が好ましい。
別々のミラーで構成する場合においても、構造パラメータが適切に制御されていれば、所定の波長において同じ反射率とすることで、深い共鳴構造を実現できるが、特定の波長においてその合わせ込みは、ミラーの設計と共振器長の二つを最適化しなければならない。
【００１７】
共振器長が変化すると、スペクトル共鳴構造のピーク波長がシフトする。
共振器長Ｌと干渉の生じる波長の周波数をｖの関係はｖ＝ｍｃ／２ｎＬ（ここで、ｍは次数、ｃは光速、ｎは共振器媒質の屈折率）であるので、ｄｖ＝−（ｖ／Ｌ）ｄＬとなる。
すなわち、共振器長が短いほど、周波数シフトは大きい。但し、干渉による共鳴構造の周波数幅はＬが大きくなるにつれて細くなるので、周波数幅に対するシフト量は、コンスタントである。
従って、ｍが小さい共振器であれば、同じ線幅のレーザを用いると、より高精度な測定ができることになる。本発明において、微小共振器とはｍ＝１を想定しているが、このとき、共振器長Ｌは光の波長（＝ｃ／ｖ；数ミクロン以下）程度となる。
【００１８】
ミラーの反射率が高ければ高いほど、回折損失や材料損失が共振器としての主要な損失要因となる。
従って共振器媒質の材料は透明性が高く、また、光子寿命に比例する実効的伝搬距離が短くなる微小共振器が好ましい。
共振器寿命τは共鳴プロファイルの半値全幅をΔｆとするとτ＝１／Δｆであるので、Ｑ値との関係はＱ＝ωτ（ω＝２πν）である。
実効的な共振器長（伝搬距離）はＬｅｆｆ＝сτと考えることができる。
材料損失としては、共振器媒質の強度損失係数をαとすると、Ｌｅｆｆ≪１／αであればよい。
一方、回折の効果に関しては、シングルモードビームの伝搬を考慮すると、Ｌｅｆｆ＜ｚ０＝ｋｗ０２／２であればよい。
ここで、ｚ０はレイリー長、ｋは波数、ｗ０はビーム半径である。
このことから、Ｑ値が高い共振器に対しては、大きなビーム径が必要となることがわかる。
共振器のＱと最小ビーム半径の関係を、波長λ０＝１５５０ｎｍ，１０６０ｎｍ，８００ｎｍに関してプロットしたものを図１に示す。
Ｑ＝１０４であってもｗ０〜３０μｍ程度であればよいことがわかる。
従ってこの程度のＱ値をもつ光共振器であれば、ピッチ〜１００μｍでアレイ化することは可能であるといえる。
【００１９】
以上、ＦＰ共振器を構成する２つのミラーの反射率は同程度であり、その反射率は高いほど高感度にでき、さらにｍ〜１のオーダーとなる微小共振器を用いることで、回折や材料損失の効果を低減できることについて述べた。
そして、これらによって、より高感度にできるだけでなく、高密度にアレイ化（高集積化）も可能となることについて説明した。
【００２０】
（ディスク／リング共振器）
ディスク／リング共振器は光が周回モードを形成する共振器であり、誘電体導波路などによる閉じた導波路を用いたものが本発明に適する。
この場合、ディスク共振器は１次元方向に導波閉じ込めをした系において、ディスクの縁を伝搬する周回モード、リング共振器は２次元導波閉じ込めをした系を伝搬する周回モードを利用する。
どちらも、伝搬方向に屈折率が連続的であること、全反射構造によって低損失な伝搬をすることによって、高いＱ値を得ることを可能とする（Ｑ〜１０３〜１０５）。
高屈折率材料（例えばシリコン）を伝搬媒質として用いることにより、導波路の曲げ損を十分小さくできるため、ディスク／リングの直径がサブ１０μｍにおいても高いＱ値を維持できる。
従って、〜１００μｍ以下のピッチでアレイ化することができ、ＦＰ共振器のように回折損失によるピッチの制限もない。
これらの共振器構造へのパワーの入出力はカップラー導波路を近傍に配置することにより、
共振器の周回長が波長の整数倍となる光（共振器モード）と一致するパワーのみ、選択的に共振器に結合され、導波損失、または反射波との結合によって、出力光にディップが現れる。
結果として、ＦＰ共振器と同様に共鳴構造のスペクトルが得られるが、このスペクトル構造の深さは、カップラーの結合定数と共振器内損失のバランスによって決まり、ディップが最も深くなる点をクリティカルカップリングポイントという。
【００２１】
この共振器モードの波長をシフトさせるには、ＦＰ共振器と同様、共振器長を変化させればよい。
但し、この場合においては、共振器長は導波モードの等価屈折率ｎeffと幾何学的な伝搬距離の積で決まるので、以下では前者を変化させることを考える。
【００２２】
導波モードの等価屈折率を大きく変化させるには、モード分離の原理を用いればよい。
図２に、モード分離の概念図を示す。
すなわち、ディスク／リング共振器と同等な共振器を近接させる。これにより、両共振器のモードは結合し、偶モードと奇モードが生じる。共振器間距離に応じて、前者は等価屈折率が高くなる方向に、後者は等価屈折率が低くなる方向に変化する。
そのため、偶モードは短波長側に、奇モードは長波長側にシフトする。二つの共振器間距離がゼロになると、それぞれは閉じ込め方向の基本モード、２次のモードとしてのスペクトル応答を示すが、この等価屈折率の変化量は〜１０％程度にもなる。
但し、このような共振器結合作用は、エバネッセント結合によるので、共振器間距離は、シリコンなどの高屈折率媒質を用いた場合、２００ｎｍ以下で顕著となる。
【００２３】
以上、ディスク／リング共振器を利用することによって、高いＱ値をもつスペクトル共鳴構造を得られることを述べた。
そして、２つのリング／ディスク共振器を波長以下の距離で近接させることによって、スペクトル応答を変化させることができることについて説明した。
【００２４】
つぎに、機械的振動機構について説明する。
上述のＦＰ共振器、ディスク／リング共振器ともに、変位に対して高感度に光応答を検出するには、作用距離が波長のオーダー、またはそれ以下が望ましいことについて説明した。
しかし、従来のＦＰ共振器ベースの超音波センサのように共振器媒質が弾性体であるとすると（例えば特許文献２）、単位圧力の超音波に対する弾性体の機械的変位量は小さくなってしまうこととなる。
ディスク／リング共振器間の媒質が弾性体であるとすると、やはり同様の問題が生じる。
このトレードオフを解消する手段として、光学的要素が機械的振動子の変位機構からデカップルされることが重要であることは既に述べた。
そのためには、光学要素間（ＦＰ共振器であれば２つのミラー間、ディスク／リング共振器であれば二つの共振器間）を非固体物質（非弾性体）で構成し、機械的振動子の変位機構が光学要素間距離に反映されるように配置すればよい。
そのような構成例を図３〜図５に示す。
これらに共通することは、機械的振動機構のパラメータは、光学応答とは独立に設計できるという点である。
従って、上述の望ましい光学応答を実現しつつ、機械的振動機構の応答（機械的変位）は別途最大化することができる。
なお、特許文献３ではメンブレンミラーの変位を利用した干渉計センサを開示しているが、既に述べたように、一般にメンブレンの変形量は小さい。
そこで、図３〜図５では機械的ビームの変形、または円柱の変形を利用している。
以下では、それぞれに対して、どのような機械的振動機構が実現されるかを説明する。
なお、それらの説明に際し、ＦＰ、ディスク、リング共振器などの例を挙げて説明するが、ＦＰ共振器のミラー対をディスク／リング共振器対に置き換えても同じである。
【００２５】
つぎに門構え構造について説明する。
図３に、上記門構え構造を説明する図を示す。
図３において、１０１ａはサスペンション、１０２ａは下部ミラー、１０３ａは上部ミラー、１０４ａは支持体、１０５ａは第一の誘電体ブロック、１０６ａは基板、１０７ａは第二の誘電体ブロックである。
【００２６】
図３に示すように、基板１０６ａ上にサスペンション１０１ａが設置されており、その中間に誘電体ブロック１０５ａを介して下部ミラー１０２ａが設置されている。
一方、上部ミラー（またはディスク／リング共振器）１０３ａは複数のサスペンション１０１ａに橋渡しされた支持体１０４ａ、第二の誘電体ブロック１０７ａを介して、下部ミラー（またはディスク／リング共振器）１０２ａ上に設置されている。
上部ミラー１０３ａと下部ミラー１０２ａのギャップは所望の共振器長（またはギャップ長）に設定されている。
この構造では、上部ミラー側から伝搬してくる超音波によってサスペンション１０１ａ、または支持体１０４ａが振動し、共振器長を変調する。
このどちらが振動機構として顕著となるかは、デザインによるので、以下に述べる。
【００２７】
サスペンションの変位ｄＬrは、フックの法則からｄＬr＝ＰＬr／Ｅrとなる。ここで、Ｐは入射圧力、Ｌrはサスペンションの長さ、Ｅrはヤング率である。
一方、支持体の振動は、両端を固定されたビームの最大変位として考えると、ｄｘ＝５ＰＬs4／（３２Ｅsｈ3）で与えられる。
ここで、Ｌsはビームの長さ、Ｅsは支持体材料のヤング率、ｈは支持体の厚さである。
これら二つの変位成分の比を考えると、つぎのような式で表すことができる。
2009253493.tif 000003
【００２８】
すなわち、ｄＬr／ｄｘ＞＞１であればサスペンションの変位が顕著であり、ｄＬr／ｄχ＜＜１であれば支持体の変形による変位が顕著となる。
サスペンションの変位を利用する場合、ロッド形状を仮定して、つぎの式で表される共振周波数ｆは所望の値に設定する要請から決まる。
2009253493.tif 000004
【００２９】
ここで、ρはサスペンション材料の密度である。
サスペンションを例えばＰＤＭＳ（ρ〜９７０ｋｇ／ｍ３，Ｅｒ〜０．５ＧＰａ）とすると、ｆ＝２０ＭＨｚに対して、Ｌｒ〜１０μｍと決まる。
支持体の材料はシリコン（Ｅｓ＝１９０ＧＰａ）と仮定し、ビームの長さをＬｓ＝５０μｍとすると、ｄＬｒ／ｄｘ＞１０となる条件は（ｈ／Ｌｓ）＝ｂ＞０．３となり、支持体のアスペクト比に対する条件が得られる。
すなわち、支持体の厚みは〜１５μｍあればよい。実際の変位は、圧力Ｐ〜１ｋＰａに対してｄＬｒ＝ＰＬｒ／Ｅｒ〜２０ｐｍ、ｄｘ＝ＰＬｓ４／（３２Ｅｓｈ３）〜１．５ｐｍとなるので、サスペンションの変位に比べて十分小さくできる。
また、このときの、支持体の共鳴周波数ｆはつぎの式で与えられる。
2009253493.tif 000005
【００３０】
その際、ビームの幅ｗ〜５０μｍとしても、ｆ〜２００ｋＨｚとなり、機械振動子の共振周波数から大幅にずらすことができるので、応答の畳み込み効果も無視できる。
ビームの厚さは超音波波長（〜１００μｍ）よりも十分短いが、超音波のインピーダンス不整合によって、入射超音波の反射が無視できないときには、サスペンションと支持体の接合面積を例えば縁のみにするなどして減らせばよい。
【００３１】
サスペンションのヤング率Ｅrを高剛性材料にすることによって、逆に、サスペンションと支持体の役割を反転させることも可能である。
すなわち、支持体の変位を利用して、共振器長を変調することもできる。
例えば、サスペンション材料として銅（Ｅr＝１３０ＧＰａ，ρ＝８９８０ｋｇ／ｍ3）を用いることを考える。
ロッド形状の共振周波数はＬr＝１０μｍとすれば、ｆ〜６０ＭＨｚとなり、またＰ＝１ｋＰａに対してｄＬr〜０．１ｐｍとなるので、サスペンションの振動は無視できるようになる。
一方、ｄＬ／ｄｘ＜０．０１としてＬｓ＝１００μｍに対してｂ＜０．２２を得る。
従って、ビームの厚みｈは２０μｍ以下であればよい。変位を大きくとるために例えばｈ〜５μｍとすると、Ｐ＝１ｋＰａに対してｄｘ〜６６０ｐｍとなる。
共振周波数には幅のみが利くので、ｗ〜２０μｍとすれば共振周波数を２０ＭＨｚに設定できる。
この場合、ピッチ（Ｌｓ）に上限を設けると、共振周波数を２０ＭＨｚ付近に設定するためには、支持体の幅ｗを細くする必要があり、支持体にミラーを取り付ける工夫を要する。
【００３２】
以上をまとめると、
１）サスペンションを低ヤング率材料にし、支持体を厚めにすることによってサスペンションの振動機構を利用する。
２）サスペンションを高ヤング率材料にして、支持体を薄めにすることによって、支持体の変形（ビームの変形）を振動機構として利用する。
という二つの方式が考えられる。
前者は支持体の変形がないので、共振器長の変化が面内方向にほぼ一様であるという特徴がある。
一方、後者は単位入射圧力に対して大きな変位が得られるが、支持体の変形が不均一である。
その不均一性は、光検出においてあまり問題とならないことは後述する。
しかし、支持体の変形を利用することで変位を大きくとり易くできるため、より機械的感度を向上させることができる。
なお、以上では、上部ミラーの負荷は無視したが、支持体の体積がミラーの体積と同等になる場合、共振周波数の低下を考慮しなければならない。
【００３３】
つぎに、逆Ｌ字構造について説明する。
図４に、上記逆Ｌ字構造を説明する図を示す。
図４において、４０１ａは誘電体ブロック、４０２ａは下部ミラー、４０３ａは上部ミラー、４０４ａは支持体、４０５ａはサスペンション、４０６ａは基板である。
４０１ｂは誘電体ブロック、４０２ｂは入出力導波路、４０３ｂは下部ディスク共振器、４０４ｂは上部ディスク共振器、４０５ｂは支持体、４０６ｂはサスペンション、４０７ｂは基板である。
【００３４】
図４（ａ）は、サスペンション１つに光共振器を１つ対応させた構造の例である。
このようにすることで、門構え構造よりも高密度にアレイ化が可能となる。
誘電体ブロック４０１ａ上に下部ミラー４０２ａが設置されており、サスペンション４０５ａ上に設置された支持体４０４ａを介して、下部ミラー４０２ａ上に上部ミラー４０３ａが設置されている。
この場合においても、門構え構造と同様に、サスペンションの変形、支持体の変形のどちらかを選択的に抽出できるよう、設計することが可能である。
【００３５】
片側自由端のビームの変形として支持体を考えると、単位入射圧力Ｐに対して最大変位量はｄｘ〜１．５ＰＬｓ４／Ｅｈ３となる。
すなわち、両端固定に比べて同じ条件であれば〜１０倍大きな変位が得られる。従って、支持体の振動を積極的に利用するのが望ましい。この場合の共振周波数は次式のようになる。
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【００３６】
したがって、Ｌs＝５０μｍとし、支持体の材料をシリコンと仮定すると、ｆ＝２０ＭＨｚにするにはｗ〜３．５μｍが必要である。
すなわち、門構え構造と比較して得られる大きな変位は、共振周波数の低下とトレードオフにあり、支持体をさらに細くしなければならない。
【００３７】
この場合も、変位は光共振器の面内方向に均一にならない。
従って、ＦＰ共振器において変位が大きい場合、ビーム偏向の効果によって回折損失が変化するので注意が必要である。
回折損の効果が無視できるためにはｗ０／Ｌｅｆｆ≪ｔａｎθ＝ｄｘ／Ｌｓの条件が満たされればよい。例として、Ｑ＝１０４、波長λ＝１．５５μｍ、ビーム径ｗ０〜５０μｍとすると、ｗ０／Ｌｅｆｆ〜０．０２である。
Ｌｓ＝５０μｍであるので、注目している変位量は１ｎｍ以下であれば、十分無視できることがわかる。
【００３８】
図４（ｂ）は、誘電体ブロック４０１ｂ上に結合器用の入出力導波路（直線導波路）４０２ｂが設置されており、それにクリティカル・カップリングする位置に下部ディスク共振器４０３ｂが設置されている。
一方、サスペンション４０６ｂ上には支持体４０５ｂが設置されており、その自由端の先端に第二の誘電体ブロック４０８ｂを介して上部ディスク共振器４０４ｂが下部ディスク共振器に対して最大の摂動を与えるように設置されている。
このようにすることで、支持体の変形に伴う上部ディスク共振器の歪みを低減できるが、これはＦＰ共振器に対しても同様である。
【００３９】
つぎに、同心円構造について説明する。
図５に、上記、同心円構造を説明する図を示す。
図５において、５０１は誘電体ブロック、５０２は低屈折率誘電体層、５０３は入出力導波路、５０４は低屈折率誘電体層、５０５はサスペンション、５０６は上部リング共振器、５０７は下部リング共振器、５０８は支持体、５０９は基板である。
【００４０】
図５に示す同心円構造を用いてリング共振器を構成した場合、サスペンションと同心円状に共振器を設置することにより、さらに高密度なアレイ化が可能となる。
基板５０９上にサスペンション５０５が設置されており、その外周に円筒状の誘電体ブロック５０１が設置されている。
その上部には低屈折率誘電体層５０２を介して入出力導波路（結合器直線導波路）５０３が設置されている。
さらに、その上部には低屈折率誘電体層５０４を介して下部リング共振器５０７が設置されている。
サスペンション５０５の上部には円柱状の支持体５０８が設置されており、その縁にギャップを介して下部リング共振器５０７に対向する形で上部リング共振器５０６が設置されている。
このとき、導波路はシングルモードであり、支持体５０８の縁の振動は十分無視できる。
従って、サスペンション５０５に低ヤング率材料を採用することで、この振動が選択的にギャップの変調機構となる。
ディスク共振器やＦＰ共振器の場合、サスペンションが外芯となるようにすればよい。
【００４１】
以上、図３〜図５に示した構造を例に、前述の微小光学ＦＰ共振器、ディスク／リング共振器対を光学応答メカニズムとして用いる場合において、高速でかつ単位入射圧力に対して大きな変位を示す機械振動子をコンパチブルにする手法を述べた。
いずれの例においても、入射超音波に対して、機械振動子の応答のみを選択的に（光学応答とは独立に）設計できることが重要なポイントである。
なぜならば、光学応答は別途高感度なものを施すことによって、超音波センサとしての感度は向上できるからである。
これを実現するために、二つの光学要素間が非固体物質で構成されおり、機械的変位が反作用なしに直接的に光学要素間距離の変化に反映されるようになっている。
【００４２】
以上の知見基づき、具体的には、つぎのような実施形態による超音波センサを構成することができる。
（１）本実施の形態における超音波センサは、
基板上の弾性を有するサスペンションに設けられ、超音波によって変位する支持体を含み構成される機械振動子（超音波受信部）と、
前記機械振動子に設けられた第１の反射膜と、前記基板上に保持された第２の反射膜とを、非固体媒質（真空または気体）を介し対向配設して構成される共振器と、
を備え、前記超音波による支持体またはサスペンションの変位を、それらの変位に応じた前記第１及び第２の反射膜間の相対距離の変化に基づく光学応答によって、検出可能に構成される。
この構成によれば、超音波に対する機械的応答は、サスペンション、または支持体による機械的振動として得られ、第１の反射膜は第２の反射膜に対して相対位置が変化する。
前記第１と第２の反射膜間は、固体でない（真空、気体または液体）ことにより、変形媒体の反作用がないため、サスペンション、または支持体による機械的変位を、ファブリーペロー共振器長の変化として効果的に利用できる。
従って、第１と第２の反射膜で形成されるファブリーペロー共振器の光学応答を光検出することによって、高感度に超音波を検出することが可能となる。
（２）本実施の形態における超音波センサは、前記第１及び第２の反射膜を、誘電体多層膜ミラー、金属ミラー、フォトニック結晶ミラーのうちのいずれか一つのミラー、またはそれらの組み合わせによって構成することができる。
この構成によれば、前記第１と第２の反射膜が、誘電体多層膜、金属ミラー、フォトニック結晶ミラー、またはそれらの組み合わせであることにより、高いＱ値を有するファブリーペロー共振器を形成できる。
特に、金属ミラー、フォトニック結晶ミラーの場合、反射膜の体積を減らせるため、全体構造の機械的安定性を確保することができる。
（３）本実施の形態における超音波センサは、前記第１及び第２の反射膜を、該反射膜の反射率が９０％以上とし、所定の波長において同じ反射率を有するように構成することができる。
この構成によれば、前記第１と第２の反射膜の反射率が９０％以上であり、またそれぞれの反射率がある波長において等しいことにより、共振器の共鳴幅を狭くかつ共鳴による反射率低下を大きくすることができる。
すなわち、Ｓ／Ｎのよい測定を行なうことができるため、感度を向上させることができる。
（４）本実施の形態における超音波センサは、前記非固体媒質を介し対向配設されている前記第１及び第２の反射膜間の距離は、光の波長程度とされている。
この構成によれば、前記第１と第２の反射膜間距離は、光の波長程度（数ミクロン以下）であることにより、ある機械的変位量に対するファブリーペロー共振器の光学応答（波長シフト）を大きくできるため、低コストで高感度に検出できる。
さらに、反射膜間を伝搬する光ビーム径を小さくできるため、アレイ化に適する。
（５）本実施の形態における超音波センサは、基板上の弾性を有するサスペンションに設けられ、超音波によって変位する支持体を含み構成される機械振動子（超音波受信部）と、
前記機械振動子に設けられた第１のリング／ディスク共振器と、前記基板上に保持された第２のリング／ディスク共振器とを、非固体媒質（真空または気体）を介し対向配設して構成された共振器構造と、
を備え、前記超音波による支持体またはサスペンションの変位を、それらの変位に応じた前記第１及び第２のリング／ディスク共振器間の相対距離の変化に基づく光学応答によって、検出可能に構成される。
この構成によれば、入出力導波路を用いて光検出することにより、サスペンション、または支持体の機械的変位を、第１と第２のリング／ディスク共振器の結合度合いとして検出できる。
また、上記（１）の実施の形態と同様の理由により、二つのリング／ディスク共振器間が非固体物質であることにより、変形媒体の反作用がないため、サスペンション、または支持体による機械的変位を、共振器間距離の変化として効果的に利用できる。
さらに、検出用の光は、入出力導波路、およびリング／ディスク共振器に閉じ込められているため、アレイ化に適する。
（６）本実施の形態における超音波センサは、前記非固体媒質を介し対向配設されている前記第１及び第２のリング／ディスク共振器間の距離を、光の波長程度とされている。
この構成によれば、与えられた変位量に対する光学応答（波長シフト）を大きくできるため、高感度に検出できる。
また、以上の超音波センサを用いることにより、容易にアレイ状に配列してアレイ化することができ、高感度に超音波イメージング可能となる超音波センサアレイを得ることができる。
また、以上の超音波センサまたは超音波センサアレイを用いることにより、高感度に超音波イメージングを行なうことができる超音波検出装置を得ることができる。
【実施例】
【００４３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本実施例では、ＦＰ共振器に誘電体多層膜鏡を用いた構成に関して、図３を参照して説明する。
本実施例において、サスペンション１０１ａはＮｉの棒からなり、直径１０μｍ、長さ１５μｍであり（ｆ〜１２０．５ＭＨｚ）、シリコン基板１０６ａ上に設置されている。
サスペンション１０１ａの上に厚さ２μｍのシリコンからなる支持体１０４ａが置かれている。支持体１０４ａの長さは７０μｍであり、２つのサスペンションの中間点には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の上部ミラー（多層膜鏡）１０３ａがＳｉＯ２ブロック１０７ａを介してコーティングされている。
このとき、支持体の共振周波数は１９．５ＭＨｚである。支持体の厚みは５μｍであり、Ｐ＝１ｋＰａに対してｄｘ＝１５８ｐｍとなる。
サスペンション１０１ａに挟まれる形で、基板上にはＳｉＯ２ブロック１０５ａが置かれており、その上部に前述のミラーと同様の下部ミラー（多層膜鏡）１０２ａが成膜されている。
これら１０２ａと１０３ａで対称ＦＰ共振器が構成される。誘電体多層膜はＳｉＯ２とＴｉＯ２の積層で、各１０層、１１層ずつ計２１層からなり、中心波長〜１５５０ｎｍ付近に設計されている。
積層の全厚みは４．７μｍである。ギャップ長を１／２波長とすると、ＳｉＯ２ブロック１０５ａの厚みを１μｍ、１０７ａの厚みを８２５ｎｍとすればよい。
【００４４】
光を基板側から入射すると、その反射特性には、ブラッグ反射波長帯に共振器長に依存したパスバンドが現れる。
ここで、超音波が支持体側から伝搬してくると、支持体の変位によってＦＰ共振器の共振器長が変化し、パスバンドの波長が変化する。
本実施例はこの波長変化を計測することによって、変位を検出するものである。例えば、ＤＦＢレーザをパスバンドの半値波長に併せておき、強度変化を読み取る。
【００４５】
図６に、上記ＦＰ共振器の光学応答を計算したグラフを示す。
パスバンドの半値全幅は〜０．３５ｎｍであり（Ｑ値が〜４５００）、１ｎｍの変位に対して、反射率の最大変化は〜９０％となる。
すなわち、的確な波長で十分に線幅の細いレーザで強度変化を読み取ると、〜１ｋＰａの超音波に対して〜１４％程度の変調が得られる。
Ｑ値が〜４５００であるので、共振器寿命τは〜２３ｐｓであり、Ｌeff＝６．９２ｍｍである。
レイリー長を考慮すると、ビーム直径は〜５０μｍ以上であればよいことになる。従って、誘電体多層膜鏡１０２ａ，１０３ａの直径は〜６０μｍあればよい。
【００４６】
つぎに、本実施例におけるＦＰ共振器の製造方法について説明する。
図７に、本実施例のシステムにおける製造工程の一例を説明する図を示す。
図７において、７００はＳＯＩ基板、７０１はＳｉ基板、７０２はＢＯＸ層、７０３はデバイス層である。
７０４は犠牲層、７０５は第二の誘電体ブロック、７０６は上部誘電体多層膜、７０７はギャップ犠牲層、７０８は下部誘電体多層膜、７０９は第一の誘電体ブロックである。
７１０はエレクトロプレーティング用モールド、７１１はシード層、７１２はＮｉピラー、７１３はＳｉ基板である。
【００４７】
本実施例のＦＰ共振器を製造するに際し、まず、デバイス層として、５μｍのＳＯＩ基板７００を形成する（図７（ａ））。
このＳＯＩ基板７００は、具体的にはＳｉ基板７０１とＢＯＸ層７０２とデバイス層７０３とによって形成される。
次に、このＳＯＩ基板７００に、第二のＳｉＯ2ブロック７０５と犠牲層（Ａｌ）７０４を形成する。
後工程に対して平坦度を確保するために、ここで化学機械研磨を行ってもよい。続いて上部誘電体多層膜７０６を形成する（図７（ｂ））。
次に、ギャップ犠牲層７０７、下部誘電体多層膜７０８、第一のＳｉＯ2ブロック７０９を順次形成する（図７（ｃ））。
【００４８】
次に、積層部を挟むように、８０μｍ間隔でサスペンションを形成する。
これにはエレクトロプレーティング用モールド７１０を作製し（図７（ｄ））、シード層７１１を付けた上で１０μｍφのＮｉピラー７１２をパターニングする（図７（ｅ））。
次に、これを化学機械研磨し（図７（ｆ））、シリコン基板７１３にダイレクトボンディングで接着し（図７（ｇ）、ＳＯＩ基板のＳｉ基板７０１とＢＯＸ層７０２を除去する。
最後に犠牲層７０４と７０７を除去すると、図３に示す構造が得られる（図７（ｈ））。
なお、サスペンションに低ヤング率材料を用いる場合は、ポリマー材料でサスペンションを形成できるので、モールドを形成する必要がなくなり、プロセスが容易になる。
【００４９】
［実施例２］
本実施例では、ＦＰ共振器を構成するに際し、実施例１のように誘電体多層膜鏡を用いる代わりに、メタルミラーを用いた構成例について説明する。
具体的には、図４（ａ）に示す実施例１での上部誘電体多層膜鏡を、厚さ２００ｎｍのＡｕミラーで置き換えたものである。
図８に、本実施例の構成を説明する図を示す。
図８において、６０１は誘電体ブロック、６０２は下部誘電体多層膜ミラー、６０３は上部金属ミラー、６０４は支持体、６０５はサスペンション、６０６は基板である。
【００５０】
本実施例において、Ｓｉ基板６０６上に３０φのＳｉＯ2ブロック６０１と下部誘電体多層膜ミラー６０２が設置されている。
サスペンション（Ｎｉピラー）６０５がその横に設置されており、その上部からＳｉの支持体６０４が設けられ、下部ミラー６０２の上に伸びている。支持体の下部ミラー側には２００ｎｍのＡｕ、５ｎｍＣｒ膜が設けられている。
【００５１】
本実施例によると、誘電体多層膜鏡に比べ、ミラーの体積が小さくなるので、支持体にかかる負荷を軽減できるというメリットが生まれる。
一方、金属膜で達成できる反射率の上限は〜９８％程度であるので、フィネスにも上限があるが、そのためビームの偏向効果に対する尤度も小さくなるので、逆Ｌ字型構造を採用できる。
また、ミラーの反射帯域は十分広いので、フィネス最適化のための波長の合わせ込み精度（デフォルトのギャップの大きさに対する精度）は小さくできる。
【００５２】
下部誘電体多層膜鏡の最適な層数は、ギャップ長に応じたパスバンドの波長に応じて制御する必要がある。例えば、１５５０ｎｍ付近ではＳｉＯ２とＴｉＯ２の多層膜を用いて〜１７層程度が最適であり、達成できるＱ値は〜４２０となる。図９に、上記ＦＰ共振器の光学応答を計算したグラフを示す。
従って、回折の効果はほとんど無視できるため、Ａｕミラーと誘電体多層膜鏡の直径は〜１０μｍでもよい。
すなわち、非常に高密度なアレイ化（ピッチ＜５０μｍ）が可能となるが、機械的変位は支持体の長さに依存するので、狭ピッチにすると変位を稼げなくなる。本実施例での支持体の長さはＬｓ＝７０μｍ、幅ｗ＝７０μｍ、厚さｈ＝５μｍである。
ミラーは支持体の先端から３０×３０μｍの面積に蒸着されている。共振周波数はｆ＝２１ＭＨｚで、Ｐ＝１ｋＰａに対してｄｘ＝１．５ｎｍとなる。
実際の変位は不均一ではあるが、空間平均としてｄｘ＝０．７５ｎｍであったとしても光量変化は〜２０％にできることがわかる。
【００５３】
本実施例の構造の作製フローは基本的に実施例１の場合と同様である。但し、この場合、ミラーに用いるＡｕ層をエレクトロプレーティング法におけるシード層として利用することができる。
【００５４】
［実施例３］
本実施例では、実施例１の下部誘電体多層膜鏡をフォトニック結晶ミラーで置き換えた構成例について説明する。
図１０に、本実施例における構成例を説明する図を示す。
図１０において、８０１は誘電体ブロック、８０２は上部ミラー、８０３はフォトニック結晶ミラー、８０４は支持体、８０５はサスペンション、８０６は基板である。
【００５５】
本実施例では、Ｓｉ基板８０６上にＳｉＯ2ブロック８０１が置かれており、その上にフォトニック結晶ミラー８０３が置かれている。
その両側にはサスペンション（Ｎｉピラー）８０５が設置されており、支持体８０４がピラー上部を橋渡しするように設置されている。
支持体からは第二のＳｉＯ2ブロックを介して上部ミラー（誘電体多層膜）８０２がフォトニック結晶ミラー８０３の上部に設置されている。
【００５６】
フォトニック結晶ミラーは、面外入射光に対して、周期構造のブラッグ散乱に起因して面内に回折された光が、面内の周期構造自身のストップバンドによって反射されることによって生じる。
フォトニック結晶ミラーは厚さ３５０ｎｍ、穴径５８５ｎｍ、ピッチ７８０ｎｍの正方格子からなる。
図１１に、フォトニック結晶ミラーの反射率、透過率を計算したグラフを示す。無損失を仮定しているので、９９％以上の反射率が得られる帯域は〜２０ｎｍであるが、反射帯域で透過率が激変するため、誘電体多層膜の反射率の合わせ込みがむずかしくなる。
また、この範囲にパスバンドが得られるようにするには、共振器長を〜２０ｎｍの精度で合わせ込む必要がある。
これを避けるためには、２枚のフォトニック結晶ミラーでＦＰ共振器を構成する方法が考えられる。
しかし、上部ミラーの面積はＱ値に依存した面積を確保する必要があるので、支持体に直接周期構造を作り込むことはむずかしい（ｆ〜１０ＭＨｚオーダーの共振周波数を維持できない）。また支持体に保持させるにも工夫が必要である。
【００５７】
なお、この場合、ＳｉＯ2の支持体を想定しているが、チッ化シリコンを用いる場合にも適宜構造パラメータを変えればよい。実際は加工精度により、得られる反射率に上限があると思われるが、理論的にはＱ値＞１０6が可能である。
例えば、上述のフォトニック結晶ミラーと、中心波長１５５０ｎｍのＳｉＯ2とＴｉＯ2の３５層の誘電体多層膜鏡で共振器を設け、共振器長を９００ｎｍとしたときに、ストップバンドの波長は１５５４．５２ｎｍ、Ｑ〜１．５×１０6となる。
従って、原理的には金属ミラーを利用する場合に比べて、高いＱ値が可能であるが、それに対応してフォトニック結晶ミラーの反射面の面積は大きくする必要がある。
本実施例の構造の作製フローも、基本的に実施例１の場合と同様である。但し、フォトニック結晶構造の加工を行う際に、電子ビームリソグラフィ、またはイオンビームエッチングなどの高解像パターニングの技術を用いてもよい。
【００５８】
［実施例４］
本実施例においては、実施例１〜実施例３のＦＰ共振器を用いてアレイ化して構成した超音波検出装置の構成例について説明する。
図１２に、本実施例の超音波検出装置の構成例を説明する図を示す。
図１２において、１２０１は光ファイバ、１２０２はＶ溝、１２０３はレンズ、１２０４はＦＰ共振器アレイ、１２０５はレンズアレイ、１２０６は光源、１２０７は光検出器である。
【００５９】
本実施例において、入出力に用いる光源（レーザ）１２０６の線幅は、パスバンドの帯域よりも十分狭い必要があるので、通信用のＤＦＢレーザが最適である。
光増幅器などを用いて増幅した後にパワースプリッタを用いて個々の共振器に接続されたファイバ１２０１に導光してもよいし、ＦＰ共振器と光源に１対１の対応をつけてもよい。
この場合のメリットは、作製誤差による波長のシフトを補償できる点にある。ＦＰ共振器からの戻り光は３ｄＢカップラ、または光サーキュレータを利用する。
【００６０】
信号の検出器１２０７には、ｐｉｎフォトダイオード、アヴァランシェフォトダイオードを用いる。
通信用の光トランシーバーユニットを利用するのであれば、カップラやサーキュレータは不要で、光源と検出器が１ユニットとなる。
但し、この場合は入出力のファイバ数がアレイの数に比例するので、高出力の光源を、ハーフミラーを通して一括照射し、共振器からの反射光をフォトダイオードアレイで検出するようにしてもよい。
この場合、信号の損失は生じるが、配線の負荷が著しく軽減される。
【００６１】
既述したように、高いＱ値を有する平行平板共振器は、実効的な伝搬長が長くなるので、回折の効果を考慮しなければならない。
Ｑ＜５０００程度であれば、ＳｉＯ2ブロックの伝搬を考慮してもアレイピッチは１５０μｍ程度にできる。
従って、Ｖ溝１２０２上にマウントされたファイバーアレイから、レンズアレイ１２０５を介してＦＰ共振器アレイ１２０４上にビームを照射してもよい。
この場合、レンズアレイ１２０５を基板として、その上にＦＰ共振器を直接作りこんでもよい。
【００６２】
［実施例５］
本実施例においては、実施例１〜実施例３のＦＰ共振器を用いてアレイ化して構成した超音波検出装置の光源として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いる構成例について説明する。
３０〜１００μｍのピッチであれば半導体導波路の近接結合効果は無視できるので、ＶＣＳＥＬアレイを光源として用いることができる。
この場合、レンズアレイの要素にひとつずつ対応するように、光源と光検出器をモノリシックに集積したトランシーバー回路をレンズアレイの下に置くことで、装置の小型化が容易となる。
但し、この場合はレーザ線幅が１０〜１００ＭＨｚ程度なので、共振器のＱ値によっては信号分解能のダイナミックレンジがレーザの線幅によって狭くなる。
従って、実施例２に示したような金属ミラーの低Ｑ値のシステムが適する。但し、ＶＣＳＥＬ光源の波長は長波長が好ましい。
波長１μｍ以下では金属ミラーの反射率が低下し、ＦＰ共振器のＱ値がさらに低下してしまうからである。
【００６３】
［実施例６］
本実施例では、ディスク共振器の近接効果を用いた超音波光センサの構成例について、図４（ｂ）を参照しながら説明する。
誘電体基板４０７ｂ上に、直径３０μｍ、厚み３０ｍｍのＮｉのサスペンション４０６ｂが置かれている。
この上には、厚さ２μｍのＳｉ支持体４０５ｂ、ＳｉＯ2ブロック４０８ｂを介して、上部ディスク共振器４０４ｂが接着されている。
サスペンション４０６ｂの隣にはＳｉＯ2ブロック４０１ｂが置かれ、その上に下部ディスク共振器４０３ｂと入出力導波路４０２ｂが置かれている。
ディスク共振器４０３ｂ，４０４ｂは厚み５００ｎｍ、径２５μｍのシリコンで、支持体とＳｉＯ2ブロックの接着面は２０μｍ径でディスクの径よりも少し小さくなっている。
なお、その他の部分は円筒形である必要はない。入出力導波路４０２ｂは矩形導波路でディスク共振器の周回モードをクリティカルカップリングできるように配置される。
また、ディスク共振器間距離を調整する機構（例えばピエゾ）を別途ＳｉＯ2ブロックの下においてもよい。
これにより、動作点を個々に調整できるようになる。なお、この場合、ピエゾ素子に及ぶ超音波の効果は十分無視できる。
【００６４】
解析を簡略化するために、変数分離を仮定する。
すなわち、実効屈折率変化はギャップの変化による寄与分だけであるので、５層スラブ導波路モデルを考え、モード実効屈折率を求める。
図１３に、ギャップ長に対するモード屈折率の依存性を示す。
ギャップ長ｄ＝３６０ｎｍ以下程度で上部と下部の導波路の結合が生じ始め、ｄ〜１５０ｎｍ程度で１ｎｍあたりΔｎeff〜０．０４％程度の屈折率変化が生じる。
【００６５】
実際の信号量変化を求めるには、例えば、非特許文献３（Ａ．Ｙａｒｉｖ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．３６，  ｐ．３２１  （２０００））に記載の解析的なモデルを用いればよい。
パラメータとして導波損失係数ａ＝１ｄＢ／ｃｍ、結合損失γ＝０．１ｄＢを仮定した。
図１４に、Δｎeff〜１０-4  （ギャップ長変化〜２７０ｐｍに対応）のときのスペクトル変化を示す。
信号差分値は８０％以上であり、ギャップ長変化１ｎｍあたりの信号変化量は〜３００％となる。支持体の大きさはＬs＝５０μｍ、幅ｗ＝３０μｍ、厚さｈ＝５μｍである。
共振周波数はｆ＝１７．５ＭＨｚで、Ｐ＝０．１ｋＰａに対してｄｘ＝０．０４ｎｍとなる。従って、変位の不均一性を無視すると、光量変化は〜１２％になることがわかる。
この場合、極端に高感度化できるが、ダイナミックレンジを調節したいときは、支持体のパラメータを変えるか、または門構え構造を採用すればよい。
【００６６】
モード次数ｍが非常に大きいため、Ｑ＞１０4となっており、半値全幅は〜４ＧＨｚである。このため、線幅が１ＭＨｚ以下となる波長安定化光源が必要である。
但し、センサ素子が複数ある場合は、波長可変機構を光センサに作りこんでもよい。
例えば、温度制御エレメントを基板の下に設けてもよい。この場合、光源を共有して、パワースプリッタで光入力を分配できるメリットが生じる。
【００６７】
つぎに、本実施例におけるディスク共振器の製造方法について説明する。
図１５に、本実施例のシステムにおける製造工程の一例を説明する図を示す。
図１５において、１７００はＳＯＩ基板、１７０１はＳｉ基板、１７０２はＢＯＸ層、１７０３はデバイス層である。
１７０４ａは犠牲層、１７０４ｂは第二の誘電体ブロック、１７０５は上部ディスク層、１７０６はギャップ犠牲層、１７０７は下部ディスク層、１７０８は低屈折率誘電体層、１７０９は入出力導波路層、１７１０はサスペンション、１７１１はＳｉ基板である。
【００６８】
本実施例のディスク共振器を製造するに際し、まず、ＳＯＩ基板１７００を形成する（図１５（ａ））。
このＳＯＩ基板１７００は、具体的にはＳｉ基板１７０１とＢＯＸ層１７０２とデバイス層１７０３とによって形成される。
次に、このＳＯＩ基板１７００に、Ａｌによる犠牲層１７０４ａとＳｉＯ2による第二の誘電体ブロック１７０４ｂをパターニングして積層する。
更にその上に、上部ディスク層１７０５、ギャップ犠牲層１７０６、下部ディスク層１７０７、低屈折率誘電体層１７０８、入出力導波路層１７０９を積層する（図１５（ｂ））。
ここで、犠牲層１７０４ａと第二の誘電体ブロック１７０４ｂとの積層後に、化学機械研磨を行って平坦度を確保することが望ましい。
【００６９】
次に、これらをパターニングし（図１５（ｃ））、更にサスペンション１７１０となるＳＯＧをパターニングする（図１５（ｄ））。
次に、これを化学機械研磨した上で（図１５（ｅ））、ボンディングし（図１５（ｆ））、デバイス層（ハンドル層）１７０３とＢＯＸ層１７０２を除去する（図１５（ｇ））。
最後に、犠牲層１７０４、１７０６を除去する。この場合、サスペンションを十分薄く（５μｍ以下）できるため、ＳＯＧのようなポリマー材料を用いても、その変位は実質的に無視できる。
このプロセス例は一例であり、例えばＳＯＧの散乱損失が大きいときは入出力導波路層の界面を低屈折率誘電体層でサンドイッチ形に挟む構造にしてもよい。
なお、本実施例ではディスク共振器の応答に関して説明したが、リング共振器に関しても以上と同様に構成することができる。
【００７０】
［実施例７］
本実施例では、実施例６におけるディスク共振器型の超音波光センサを、シリコンフォトニクスの技術を用いてアレイ化した構成例について説明する。
図１６に、本実施例のアレイをディスクと垂直な方向から見た模式図を示す。
図１６において、１５０１は入出力配線導波路、１５０２は超音波センサ素子である。
入出力導波路１５０１がバスを形成しており、各センサ素子１５０２に対応して光配線されている。究極的には必要な素子のアレイピッチによって制限されるが、例えばイメージセンサの読み出し回路のように、センサアレイを４象限毎に分割して、入出力導波路をその外側に入出力を戻すようにしてもよい。
【００７１】
図１７はアレイ化した際のブロック図である。
図１７において、１６０１は超音波検出部（超音波センサ素子アレイ）、１６０２は光入力部、１６０３は光出力部、１６０４は基板である。
基板１６０４上の超音波検出素子アレイ１６０１に対して、光入力段１６０２と光出力段１６０３が用意されている。
基板への光入出力は、チップ面上でもチップの端面からでも行うことができる。前者の場合、グレーティングカップラーとテーパー導波路の組み合わせを用いて−３ｄＢ程度の損失で高効率結合ができる。後者の場合、逆テーパー導波路やスロット導波路のようなモード変換機構を用いてもよい。
【００７２】
基板への光入出力は素子の数に比例するが、素子ごとの動作波長をずらした場合、光出力の導波路はＷＤＭにすることができる。
反対に、超音波検出素子の動作波長が同一である場合、光入力をひとつの光源からパワースプリッタで分配することができる。
また、光出力手段には、歪みＧｅのような通信波長帯に感度をもつ光検出器をオンチップに設け、出力信号は電気信号で得るようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態におけるＱ値と最小ビーム半径の関係を説明する図。
【図２】本発明の実施形態におけるモード分離の概念を示す図。
【図３】本発明の実施形態における門構え構造を説明する図。
【図４】本発明の実施形態における逆Ｌ字構造を説明する図。
【図５】本発明の実施形態における同心円構造を説明する図。
【図６】本発明の実施例１におけるＦＰ共振器の光学応答を計算した図。
【図７】本発明の実施例１におけるシステムの製造工程を説明する図。
【図８】本発明の実施例２におけるメタルミラーを用いたＦＰ共振器の構成例について説明する図。
【図９】本発明の実施例２におけるＦＰ共振器の光学応答を計算した図。
【図１０】本発明の実施例３におけるフォトニック結晶ミラーを用いたＦＰ共振器の構成例について説明する図。
【図１１】本発明の実施例３におけるフォトニック結晶ミラーの反射率、透過率を計算した図。
【図１２】本発明の実施例４におけるＦＰ共振器を用いてアレイ化して構成した超音波検出装置の構成例について説明する図。
【図１３】本発明の実施例６におけるギャップ長に対するモード屈折率の依存性を示す図。
【図１４】本発明の実施例６におけるギャップ長変化に対応したスペクトル変化を示す図。
【図１５】本発明の実施例６におけるシステムの製造工程を説明する図。
【図１６】本発明の実施例７におけるディスク共振器型の超音波光センサをシリコンフォトニクスの技術を用いてアレイ化した構成例について説明する模式図。
【図１７】本発明の実施例７におけるアレイ化した際のブロック図。
【符号の説明】
【００７４】
１０１ａ：サスペンション
１０２ａ：下部ミラー
１０３ａ：上部ミラー
１０４ａ：支持体
１０５ａ：第一の誘電体ブロック
１０６ａ：基板
１０７ａ：第二の誘電体ブロック
４０１ａ：誘電体ブロック
４０２ａ：下部ミラー
４０３ａ：上部ミラー
４０４ａ：支持体
４０５ａ：サスペンション
４０６ａ：基板
４０１ｂ：誘電体ブロック
４０２ｂ：入出力導波路
４０３ｂ：下部ディスク共振器
４０４ｂ：上部ディスク共振器
４０５ｂ：支持体
４０６ｂ：サスペンション
４０７ｂ：基板
４０８ｂ：第二の誘電体ブロック
５０１：誘電体ブロック
５０２：低屈折率誘電体層
５０３：入出力導波路
５０４：低屈折率誘電体層
５０５：サスペンション
５０６：上部リング共振器
５０７：下部リング共振器
５０８：支持体
５０９：基板
６０１：誘電体ブロック
６０２：下部誘電体多層膜ミラー
６０３：上部金属ミラー
６０４：支持体
６０５：サスペンション
６０６：基板
７００：ＳＯＩ基板
７０１：Ｓｉ基板
７０２：ＢＯＸ層
７０３：デバイス層
７０４：犠牲層
７０５：第二の誘電体ブロック
７０６：上部誘電体多層膜
７０７：ギャップ犠牲層
７０８：下部誘電体多層膜
７０９：第一の誘電体ブロック
７１０：エレクトロプレーティング用モールド
７１１：シード層
７１２：Ｎｉピラー
７１３：Ｓｉ基板
８０１：誘電体ブロック
８０２：上部ミラー
８０３：フォトニック結晶ミラー
８０４：支持体
８０５：サスペンション
８０６：基板
１２０１：光ファイバ
１２０２：Ｖ溝
１２０３：レンズ
１２０４：ＦＰ共振器アレイ
１２０５：レンズアレイ
１２０６：光源
１２０７：光検出器
１５０１：入出力配線導波路
１５０２：超音波センサ素子
１６０１：超音波検出部（超音波センサ素子アレイ）
１６０２：光入力部
１６０３：光出力部
１６０４：基板
１７００：ＳＯＩ基板
１７０１：Ｓｉ基板
１７０２：ＢＯＸ層
１７０３：デバイス層
１７０４ａ：犠牲層
１７０４ｂ：第二の誘電体ブロック
１７０５：上部ディスク層
１７０６：ギャップ犠牲層
１７０７：下部ディスク層
１７０８：低屈折率誘電体層
１７０９：入出力導波路層
１７１０：サスペンション
１７１１：Ｓｉ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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