JP2001525075A - 電気的に調整可能な光学的フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、シリコンの精密機械技術を使用して作った層状構造体を持つ、電気的に制御可能な光学的干渉計フィルタに関する。フィルタは、本質的に平らな基盤（１）と、上記基盤（１）の上に形成された第一のミラー素子（１５）、および上記第一のミラー素子上の重畳された第二のミラー素子（１２、１７）と、約ｎ・λ／２（但し、ｎ＝１、２、３）の光学的長さを持つ、上記ミラー素子（１５、１７）の間に形成された光学的共振凹部（１０）とを備える。本発明によれば、上記第二のミラー素子（１２、１７）上に、さらに、第三のミラー素子（１６）が形成され、上記第三のミラー素子（１６）と上記第二のミラー素子（１２、１７）の間に、ｎ・λ／２（但し、ｎ＝１、２、３）光学的長さを持つ第二の光学的凹部（１０）が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 電気的に調整可能な光学的フィルタ 本発明は、請求項１の前文に記載する電気的に調整可能な光学的帯域フィルタ に関する。 本発明は、高い明度比または１〜２の調整可能な帯域幅を必要とする用途用の 、電気的に変調可能な光学的帯域フィルタとして使用するためのものである。 ファブリ・ペロー（Fabry-Perot）の干渉計は、光学的分析の際に使用される もので、光学的帯域フィルタとしての変調装置である。シリコンの表面を精密機 械工作するには、VIS-IR(可視赤外線)領域に対する、高品質の干渉形タイプのフ ィルタを製造するための実用的なアプローチが必要になる。この技術を使用して 製造した干渉計は、いわゆる短い干渉計であり、この用語は、光学的共振器の長 さが、１〜３半波長の範囲内にあることを意味する。上記フィルタの帯域の帯域 幅の形は、ミラーの反射係数により決まる。フィルタの性能は、その透過度曲線 の幅（最大値の半分のところの全幅、FWHM）、およびその帯域幅に隣接するフィ ルタの透過度に対するフィルタの最大帯域透過度の比として定義される、そのフ ィルタの明度比により特徴づけることができる。シリコン−二酸化シリコン−シ リコンの三層ミラーの場合には、帯域幅は、帯域中心波長の約２％にまで小さく することができる。上記フィルタの明度比は、通常、約２００〜３００である。 靜電制御技術を使用して、ゼロ−制御−電圧波長の付近で約２５％の制御範囲を 実現することができる。 光学的帯域フィルタは、通常、帯域を制御する何等の手段を持たない多重層干 渉フィルタとして実行される。通常、制御可能なフィルタは、ファブリ・ペロー の干渉計タイプのもので、その最新のタイプはシリコンの精密機械的技術により 製造される。例えば、Ｍ．ブロムバーグ（Blomberg）、Ｍ．オーパナ（Orpana） およびＡ．レト（Lehto）の「光学的材料分析で使用するための、電気的に制御 可能なシリコン面の精密機械加工したファブリ・ペローの干渉計」という名称の 米国特許出願０８／３８６，７７３が、上記技術を開示している。これらの装置 は、通常、ポリシリコンおよび二酸化シリコンの交互の層からできている、三つ の層からなるミラーを含む。上記ミラー層の光学的な厚さは、通常は、λ／４で ある、四分の一波長λ／４の奇数倍である。フィルタの帯域幅の形は、ミラーの 層の数により影響を受ける場合があるが、ミラー層の数を変えても、フィルタの 明度比を有意に増大させることもできないし、フィルタの帯域幅を個々の帯域幅 に分割することもできない。 本発明のベースとなっているのは、同じ光学軸上に、二つの電気的に制御可能 な面を精密機械加工で製造したファブリ・ペロー共振器フィルタを、重畳して固 定状態に設置することによる光学的帯域フィルタの製造である。 より詳しく説明すると、本発明の光学的フィルタは、請求項１の特徴に関する 部分に記載されていることを特徴とする。 本発明は、有意な利点を持つ。 本発明の装置を使用すれば、フィルタの明度比を、数万倍のレベル、さらには 数十万倍のレベルまで高めることができ、別の言い方をすれば、フィルタの帯域 幅を二つの別々の帯域幅に分割することができる。光学的整合層の屈折率が１で ない場合には、フィルタ透過度曲線は、低い二重ピークのものになる。中央ミラ ーが、外側のミラーと同じものである場合には、シリコン−二酸化シリコン−シ リコン・ミラー構造を使用する、１０，０００程度の明度比を持つ二つの帯域幅 が得られる。この特徴により、単一帯域幅フィルタにより行うことができない、 二つの波長での同時分析が容易になる。さらに、本発明のフィルタの構造を使用 すれば、フィルタ帯域幅の中心波長を別々に制御することができる。 以下の説明において、添付の図面に示す例示としての実施形態の助けを借りて 、本発明をさらに詳細に説明する。 図１は、本発明の光学的フィルタの側面の縦断面図である。 図２は、空気層と整合している外側のミラーを持つ、本発明の帯域フィルタの 透過度曲線である。 図３は、二酸化シリコン層と整合している外側のミラーを持つ、本発明の帯域 フィルタの透過度曲線である。 図４は、窒化シリコン層と整合している外側のミラーを持つ、本発明の帯域フ ィルタの透過度曲線である。 図５は、厚さ４２０nm、４５０nmおよび４８０nmの空気層に対応する、三つの 異なる制御電圧レベルでの、本発明の帯域フィルタの透過度曲線である。 図６ａは、１．１μmより短い波長に適している、本発明のフィルタ構造体の 側面の縦断面図である。 図６ｂは、１．１μmより長い波長に適している、本発明のフィルタ構造体の 側面の縦断面図である。 図７は、ミラー間空気層により実行された外側のミラーと光学的整合する、本 発明のフィルタ構造体の側面の縦断面図である。 図８は、本発明のフィルタの平面図である。 図９は、共通中心ミラーおよび４５０nmに調整した空気層を持つ、本発明のフ ィルタ構造体の側面の縦断面図である。 図１０は、４５０nmに調整した空気ギャップを持つ、図９のフィルタ構造体の 帯域幅曲線である。 図１について説明すると、この図の本発明の干渉計タイプのフィルタ構造体は 、基盤１上に形成された第一の光学的共振器１５、１０、１２と、第一の共振器 上に位置する第二の光学的共振器２０、１０、１６を備える。このフィルタ構造 体の一番下の素子は、フィルタ凹部にエッチングにより形成された、開口部５を 持つシリコン基盤１である。開口部５の上には、本明細書においては、その製造 順序に従って第一のミラーと呼ぶ、三層のミラー１５が形成される。ミラー１５ は、ポリシリコン層２および二酸化シリコン層３を交互に重畳して形成される。 類似のミラー１６が、第三のミラーの働きをするフィルタ構造体の、一番上の部 材として位置する。層状の素子１７により形成された中央素子は、その間に設置 されたλ／４の光学的厚さを持つ屈折率整合層１８を持つ、二つの同じ三層から なるミラー１２および２０を備える。本明細書においては、波長λは、フィルタ 帯域の中心波長を示す。整合材料１８で使用する材料の屈折率は、高い明度比の 単一帯域幅が必要な場合には、最も有利な１である。（すなわち、空気または真 空の屈折率である。）実際には、約１．４６の屈折率を持つ二酸化シリコンから 、整合相１８を作ることにより、同様によい結果が得られる。中央ミラー構造体 １７ の上下には、光学的共振器の働きをする凹部１０が設けられる。通常、その光学 軸１１の方向の上記凹部１０の長さは、n・λ／２（但し、ｎ＝１、２、３）で ある。 凹部１０のギャップは、導電領域１３および１４に掛けられる制御電圧Ｖ１お よびＶ２により相互に別々に調整することができ、それにより、上記電圧は、中 央ミラー構造体１７と外側のミラー１５および１６との間に電気力を加える。本 明細書においては、中央ミラー構造体１７を、制御電圧の共通ターミナルとして 使用することができる。靜電気により、外側のミラー１５および１６は、中央ミ ラー１７の方向に湾曲する。それ故、上記共振器の中心波長を、その残りの波長 の約２５％だけ調整することができる。必要な制御電圧は、通常、共振器のギャ ップと、ミラー構造体の内部テンションによって決まる残りの波長により、数ボ ルトから数十ボルトの範囲で変化する。波長調整は、DCまたはACを制御電圧とし て使用して行うことができる。 ＩＲ領域（λ＞１．１μm）用に設計された干渉計フィルタの場合には、ミラ ーの下の、図６ｂの開口部５は冗長部分である。何故なら、これら波長のところ では、少し垂れ下がったシリコンが透明であるからである。 図２は、整合層１８が、（空気を媒体として使用して）１に等しい屈折率を持 つ場合の、図６ａに示す干渉計フィルタの帯域幅曲線を示す。図３は、整合層が 二酸化シリコンの場合の、上記干渉計フィルタの帯域幅曲線を示す。図４は、上 記層が窒化シリコンである場合の、干渉計フィルタの帯域幅曲線を示す。図５は 、両方の干渉計構造体に掛けられた制御電圧が等しい場合の、フィルタ帯域の中 心波長に対する制御電圧の影響を示す。本明細書においては、光学的整合層１８ は、二酸化シリコンで作られた両方の構造体内に収容されている。 図６ａおよび図６ｂは、シリコン基盤上の層状干渉計構造体の製造方法の、よ り詳細な図面である。干渉計フィルタは、平らな基盤１上にポリシリコン層２と 二酸化シリコン層３を交互に成長させることにより製造される。基盤１は、単一 結晶シリコン、ゲルマニウム、酸化金属または窒化金属、ニオブ酸リチウム、ガ ラスまたはガリウムひ素のような任意の組み合わせ化合物半導体のグループの中 から選択することができる。酸化金属は、例えば、酸化アルミニウムであっても よいし、窒化金属は、例えば、窒化チランであってもよい。原則として、基盤１ は、その上にミラー層を設けることができ、それ自身が、干渉計フィルタの仕様 と互換性を持つ光学的特性を持つものなら、任意の材料で作ることができる。基 盤１の材料が選択した波長範囲に対して透明である場合には、その構造は、図６ ｂに示すようなものであってもよい。１．１μm以上の波長に対する基盤１とし て、シリコンを使用する用途の場合には、開口部５は冗長である。干渉計フィル タのミラー間のギャップ１０からの酸化物は、例えば、エッチング剤としてフッ 化水素酸を使用して、開口部４を通して除去することができる。開口部４の壁部 は、例えば、ポリシリコンであってもよい。通常、干渉計フィルタ内のミラーの 直径は、１〜２mm程度であり、それにより、ミラー層２および３の光学的厚さは λ／４になる。開口部４の直径は非常に小さなものでよく、例えば、数マイクロ メートルあれば十分である。必要な場合には、KOHまたはTMAHをエッチング剤と して使用して、シリコン内に開口部５をエッチングにより形成することができ、 それにより、通常、窒化シリコンでできている層６は、エッチング・バリヤとし ての働きをする。開口部５が、構造体内にエッチングにより形成されていない場 合には、シリコン基盤の下の表面に、通常は、窒化シリコンのλ／４層でできて いる、反射防止層７を設けなければならない。本明細書においては、層６は、有 利なように二酸化シリコンで作られている。反射防止層７の光学的厚さは、任意 の基盤に対してλ／４であり、最も有利になるように層の屈折率は、基盤の屈折 率の平方根になるように調整される。 充填媒体として、空気（または、真空）を使用して、中央ミラーの間にギャッ プを形成した場合には、干渉計フィルタの構造は、図７に示すような構造になる 。 ミラー層を重畳して設置することにより、中央ミラーは、相互に密接に隣接し て位置することになる。上から見た場合、干渉計フィルタは、図８に示す構造を 持つ。上部ミラー１６および他のミラーは、有利なように円形に作られていて、 また開口部４は、円の周囲に配置されている。黒い正方形の領域２０は、電気コ ネクタに対する接触パッド領域を示す。 中央ミラー１７は、通常、二つのミラーの組み合わせであり、より少ない数の 層を使用して作ることができる。図９は、他のミラーと同じ構造の中央ミラー１ ７を持つ構造体を示す。図１０は、上記構造体に対応する二つの帯域幅の帯域幅 曲線を示す。干渉計フィルタが、シリコン−二酸化シリコン−シリコン・ミラー 構造体で作られている場合には、この構造体の明度比は、約１０，０００になる 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 トルッケリ，アルッティ フィンランド．エフアイエヌ―02610 エ スポー，キロンリンネ 10 シー 68

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．シリコン精密機械技術を使用して作られた層状の構造体を持つ、電気的に 制御可能な光学的干渉計フィルタであって、該干渉計フィルタは、 本質的に平らな基盤（１）と、 前記基盤１の上に形成された第一のミラー素子（１５）、および前記第一 のミラー素子上の重畳された第二のミラー素子（１７）と、 約ｎ・λ／２（但し、ｎ＝１、２、３）の光学的長さを持つ、前記ミラー 素子（１５、１７）の間に形成された光学的共振器凹部（１０）とを備え、 第二のミラー素子（１７）の上に、さらに、第三のミラー素子（１６）が 形成されることと、 前記第三のミラー素子（１６）と、前記第二のミラー素子（１７）との間 にｎ・λ／２（但し、ｎ＝１、２、３）の光学的長さを持つ第二の光学的共 振凹部（１０）が形成されることとを特徴とする光学的フィルタ。 ２．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記フィルタの層状構造体（２ 、３）の光学的厚さが、前記フィルタを使用する測定波長の１／４に等しい ことを特徴とする光学的フィルタ。 ３．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記第二のミラー素子（１７） が、その間に適応している光学的整合層（１８）を持つ二つのミラー部材（ １２、２０）を備えることを特徴とする光学的フィルタ。 ４．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記フィルタが、電気的に掛け る制御力により、両方の光学的共振器（１０）の長さを調整するための電気 接点（１３、１４）を含むことを特徴とする光学的フィルタ。 ５．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記基盤（１）が、単結晶のシ リコン、単結晶のゲルマニウム、ニオブ酸リチウム、ガラス、酸化金属また は窒化金属、または任意の組み合わせの化合物半導体からできていることを 特徴とする光学的フィルタ。 ６．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記ミラー素子（１５、１６、 １７）が、シリコン（２）および二酸化シリコン（３）の交互の層からでき ていることを特徴とする光学的フィルタ。 ７．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記第二のミラー素子（１７） の前記光学的整合層（１８）が、シリコン、ゲルマニウム、ニオブ酸リチウ ム、ガラス、酸化金属、二酸化シリコンまたは窒化シリコンまたは任意の組 み合わせの化合物半導体からできていることを特徴とする光学的フィルタ。 ８．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記第二のミラー素子（１７） の光学的整合層（１８）が、空気であることを特徴とする光学的フィルタ。 ９．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記基盤（１）の下面に反射防 止層（７）を設けることを特徴とする光学的フィルタ。 １０．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記フィルタが、固定状態で相 互に重畳して接続していて、共通のミラー素子（１７）を持つ二つのファブ リ・ペローの干渉計を備えることを特徴とする光学的フィルタ。 １１．請求項１記載の光学的フィルタにおいて、前記フィルタ構造体のすべての ミラー素子（１５、１７、１６）が、少なくとも本質的に同じものであるこ とを特徴とする光学的フィルタ。