JP2002006238A - ファブリ・ペロー共振器用中空構造体 - Google Patents
ファブリ・ペロー共振器用中空構造体Info
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- G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 周波数ノイズの発生を防止すること等のでき
る、ファブリ・ペロー共振器用中空構造体を提供するこ
とを課題とする。 【解決手段】 本発明に係るファブリ・ペロー共振器用
中空構造体は、第1導電性面を持つ基板203に取り付
けられた固定ミラー214と、可動ミラー213を備
え、第2導電性面を持つ基板203上に懸架されたメン
ブレン216と、第1導電性面と第2導電性面との間に
電気的ポテンシャルを与える駆動回路と、固定ミラー2
14と可動ミラー213との間の距離を測定し、この測
定に対応して、ポテンシャルを調節する測定回路とを備
える。
る、ファブリ・ペロー共振器用中空構造体を提供するこ
とを課題とする。 【解決手段】 本発明に係るファブリ・ペロー共振器用
中空構造体は、第1導電性面を持つ基板203に取り付
けられた固定ミラー214と、可動ミラー213を備
え、第2導電性面を持つ基板203上に懸架されたメン
ブレン216と、第1導電性面と第2導電性面との間に
電気的ポテンシャルを与える駆動回路と、固定ミラー2
14と可動ミラー213との間の距離を測定し、この測
定に対応して、ポテンシャルを調節する測定回路とを備
える。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学フィルタやレ
ーザ等に用いることのできる、ファブリ・ペロー共振器
用の光学的中空構造体に関する。
ーザ等に用いることのできる、ファブリ・ペロー共振器
用の光学的中空構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信システムやレーザには、同調可能
な光学共振器が利用されている。中でも、ファブリ・ペ
ロー共振器を用いた光学フィルタやレーザは、マイクロ
エレクトロメカニカル機械加工(MEM)技術を用いて
製造することができるため、コスト的に優れた同調可能
フィルタや同調可能レーザを提供することができる。
な光学共振器が利用されている。中でも、ファブリ・ペ
ロー共振器を用いた光学フィルタやレーザは、マイクロ
エレクトロメカニカル機械加工(MEM)技術を用いて
製造することができるため、コスト的に優れた同調可能
フィルタや同調可能レーザを提供することができる。
【0003】このような装置においては、ファブリ・ペ
ロー共振器の中空部が、2つのミラー間に形成される。
これらのミラーのうち、一方のミラーは平坦であり、半
導体基板上に配される。また、他方のミラーは湾曲され
て、マイクロメカニカル加工された複数のカンチレバー
(片持ち梁)上に懸架される。
ロー共振器の中空部が、2つのミラー間に形成される。
これらのミラーのうち、一方のミラーは平坦であり、半
導体基板上に配される。また、他方のミラーは湾曲され
て、マイクロメカニカル加工された複数のカンチレバー
(片持ち梁)上に懸架される。
【0004】そして、これらカンチレバーと基板との間
に同調電圧を印加することにより、懸架されたミラー
を、基板上の固定ミラーの方へ移動させて、ファブリ・
ペロー共振器の2つのミラー間の距離を縮めることがで
きる。ここで、フィルタのバンドパス周波数は、ミラー
間の距離によって決定されるので、この距離を短縮させ
ることによって、中空構造体における共振光学的周波数
を増加させることができる。
に同調電圧を印加することにより、懸架されたミラー
を、基板上の固定ミラーの方へ移動させて、ファブリ・
ペロー共振器の2つのミラー間の距離を縮めることがで
きる。ここで、フィルタのバンドパス周波数は、ミラー
間の距離によって決定されるので、この距離を短縮させ
ることによって、中空構造体における共振光学的周波数
を増加させることができる。
【0005】したがって、このように共振周波数をシフ
トさせることにより、本装置を、同調可能なバンドパス
フィルタとして使用することができる。また、光学的に
ポンピングまたは電気的にポンピングされた光学的な利
得媒体(アクティブ領域)を中空構造体内に配すること
により、本装置を、ファブリ・ペロー共振器の共振周波
数によって制御されるレーザ光波長を備えた同調可能な
レーザとして使用することができる。なお、ここで「ポ
ンピング(ポンプ)」とはレーザ発振等を作り出すこと
を意味する。
トさせることにより、本装置を、同調可能なバンドパス
フィルタとして使用することができる。また、光学的に
ポンピングまたは電気的にポンピングされた光学的な利
得媒体(アクティブ領域)を中空構造体内に配すること
により、本装置を、ファブリ・ペロー共振器の共振周波
数によって制御されるレーザ光波長を備えた同調可能な
レーザとして使用することができる。なお、ここで「ポ
ンピング(ポンプ)」とはレーザ発振等を作り出すこと
を意味する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
MEMファブリ・ペローフィルタにおいては、大きな量
のノイズが発生し、このノイズが、装置の有効利用を妨
げていた。このようなノイズは、カンチレバーに接続さ
れているミラーの機械的振動から生じる。そして、この
ノイズは、ミラー間の間隔に変化を生じさせる。換言す
れば、フィルタから出射された光の共振周波数及び振幅
に、ノイズに対応するノイズスペクトルが生じてしま
う。このような共振周波数のノイズが拡張すると、フィ
ルタのバンドパス応答幅に重畳し、このようなフィルタ
から構成されるレーザの線幅を実質的に増加させてしま
うため、フィルタまたはレーザを多くの用途に適切する
ことが困難になる。
MEMファブリ・ペローフィルタにおいては、大きな量
のノイズが発生し、このノイズが、装置の有効利用を妨
げていた。このようなノイズは、カンチレバーに接続さ
れているミラーの機械的振動から生じる。そして、この
ノイズは、ミラー間の間隔に変化を生じさせる。換言す
れば、フィルタから出射された光の共振周波数及び振幅
に、ノイズに対応するノイズスペクトルが生じてしま
う。このような共振周波数のノイズが拡張すると、フィ
ルタのバンドパス応答幅に重畳し、このようなフィルタ
から構成されるレーザの線幅を実質的に増加させてしま
うため、フィルタまたはレーザを多くの用途に適切する
ことが困難になる。
【0007】ここで、上記の機械的振動は、カンチレバ
ーを強化することによって減少させることができる。つ
まり、機械的振動は、可動ミラー及びそのマイクロメカ
ニカルなカンチレバーにおけるサーマルノイズ(熱雑
音)から発生する。そして、この可動ミラーは、ミラー
の周囲の空気と熱的平衡状態にあるので、空気の温度
や、ミラー及び支持部材の機械的な特性によって定まる
振幅にしたがって振動する。この振動は、可動ミラーの
位置を他方のミラーに対して機械的に変動(変位)させ
る。この機械的変動は、換言すれば、ファブリ・ペロー
中空構造体の共振光学的周波数に変動を生じさせる。こ
の機械的変動は、可動ミラー及びその支持カンチレバー
における機械的共振の影響を受けてしまう。そこで、上
述のようにカンチレバーを強化してそのバネ定数を大き
くすることにより、いかなる周囲の平衡温度に対しても
変動の振幅を狭めることができる。
ーを強化することによって減少させることができる。つ
まり、機械的振動は、可動ミラー及びそのマイクロメカ
ニカルなカンチレバーにおけるサーマルノイズ(熱雑
音)から発生する。そして、この可動ミラーは、ミラー
の周囲の空気と熱的平衡状態にあるので、空気の温度
や、ミラー及び支持部材の機械的な特性によって定まる
振幅にしたがって振動する。この振動は、可動ミラーの
位置を他方のミラーに対して機械的に変動(変位)させ
る。この機械的変動は、換言すれば、ファブリ・ペロー
中空構造体の共振光学的周波数に変動を生じさせる。こ
の機械的変動は、可動ミラー及びその支持カンチレバー
における機械的共振の影響を受けてしまう。そこで、上
述のようにカンチレバーを強化してそのバネ定数を大き
くすることにより、いかなる周囲の平衡温度に対しても
変動の振幅を狭めることができる。
【0008】しかしながら、このようにカンチレバーを
強化すると、共振周波数を同調できる範囲が狭められて
しまう。すなわち、一般的には、装置に適用できる最大
の偏向電圧には限界がある。この電圧は、通常、ファブ
リ・ペロー共振器構造の駆動回路及び電圧のブレークダ
ウン特性にって決定されてしまう。したがって、支持ア
ームの厚さを増加させてカンチレバーを強化すると、当
該装置が同調できる範囲をも狭めてしまうことになる。
強化すると、共振周波数を同調できる範囲が狭められて
しまう。すなわち、一般的には、装置に適用できる最大
の偏向電圧には限界がある。この電圧は、通常、ファブ
リ・ペロー共振器構造の駆動回路及び電圧のブレークダ
ウン特性にって決定されてしまう。したがって、支持ア
ームの厚さを増加させてカンチレバーを強化すると、当
該装置が同調できる範囲をも狭めてしまうことになる。
【0009】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、共振周波数を同調できる範囲を維持または改善しつ
つ、ノイズを減少させることのできる、ファブリ・ペロ
ー共振器用中空構造体を提供することを目的としてい
る。
で、共振周波数を同調できる範囲を維持または改善しつ
つ、ノイズを減少させることのできる、ファブリ・ペロ
ー共振器用中空構造体を提供することを目的としてい
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、請求項1に記載のファブリ・ペロー共振器用光
学的中空構造体は、所定波長範囲から選択できる共振波
長を備えた同調可能なファブリ・ペロー共振器用光学的
中空構造体において、第1導電性面を持つ基板に取り付
けられた固定ミラーと、可動ミラーを備え、第2導電性
面を持つ前記基板上に懸架された支持部材と、前記第1
導電性面と前記第2導電性面との間に電気的ポテンシャ
ルを与える駆動回路と、前記固定ミラーと前記可動ミラ
ーとの間の距離を測定し、この測定に対応して、前記ポ
テンシャルを調節する測定回路とを備えることを特徴と
する。
るため、請求項1に記載のファブリ・ペロー共振器用光
学的中空構造体は、所定波長範囲から選択できる共振波
長を備えた同調可能なファブリ・ペロー共振器用光学的
中空構造体において、第1導電性面を持つ基板に取り付
けられた固定ミラーと、可動ミラーを備え、第2導電性
面を持つ前記基板上に懸架された支持部材と、前記第1
導電性面と前記第2導電性面との間に電気的ポテンシャ
ルを与える駆動回路と、前記固定ミラーと前記可動ミラ
ーとの間の距離を測定し、この測定に対応して、前記ポ
テンシャルを調節する測定回路とを備えることを特徴と
する。
【0011】この本発明は、固定ミラー及び可動ミラー
から構成された同調可能な光学的中空構造体(または、
その内部のキャビティ)に関する。このうち、固定ミラ
ーは、第1導電性面を持つ基板に取り付けられている。
また、可動ミラーを支持していると共に第2導電性面を
備える支持部材が、基板上に取り付けられている。そし
て、所定の回路が、第1導電性面と第2導電性面との間
に電気的ポテンシャルを与え、これにより固定ミラーと
移動のミラーとの間の距離を調節する。これら固定ミラ
ー及び移動ミラーは、これらミラーが光学的中空構造体
の対向する端部を構成するように配されている。固定ミ
ラーと移動ミラーとの間の距離は、上記ポテンシャル電
位の関数である。
から構成された同調可能な光学的中空構造体(または、
その内部のキャビティ)に関する。このうち、固定ミラ
ーは、第1導電性面を持つ基板に取り付けられている。
また、可動ミラーを支持していると共に第2導電性面を
備える支持部材が、基板上に取り付けられている。そし
て、所定の回路が、第1導電性面と第2導電性面との間
に電気的ポテンシャルを与え、これにより固定ミラーと
移動のミラーとの間の距離を調節する。これら固定ミラ
ー及び移動ミラーは、これらミラーが光学的中空構造体
の対向する端部を構成するように配されている。固定ミ
ラーと移動ミラーとの間の距離は、上記ポテンシャル電
位の関数である。
【0012】ここで、熱的に誘導される振動は、ミラー
間の距離を測定する電気的フィードバック回路を利用す
ることによって減少することができる。このフィードバ
ック回路は、中空構造体の共振周波数における変動を小
さくするように、基板と支持部材との間のポテンシャル
を動的に変化させる。この際、各時点における中空構造
体の共振周波数は、中空構造体共振周波数と標準の光信
号とを比較することにより、あるいは、支持部材と基板
との間の容量性結合を測定する回路を用いることにより
測定できる。そして、フィードバック回路は、測定され
た前記中空構造体共振周波数またはキャパシタンスの変
動を小さくするように、基板と支持部材との間の電位を
変化させる。
間の距離を測定する電気的フィードバック回路を利用す
ることによって減少することができる。このフィードバ
ック回路は、中空構造体の共振周波数における変動を小
さくするように、基板と支持部材との間のポテンシャル
を動的に変化させる。この際、各時点における中空構造
体の共振周波数は、中空構造体共振周波数と標準の光信
号とを比較することにより、あるいは、支持部材と基板
との間の容量性結合を測定する回路を用いることにより
測定できる。そして、フィードバック回路は、測定され
た前記中空構造体共振周波数またはキャパシタンスの変
動を小さくするように、基板と支持部材との間の電位を
変化させる。
【0013】本発明による光学的中空構造体は、中空構
造体にトラップされた光を増幅するアクティブ層からな
る同調可能なレーザを形成すること等に使用することが
できる。この同調可能なレーザの場合、熱的に誘導され
る変動を、レーザからの瞬時の波長を決定する干渉計ま
たはその他の波長選択装置を備えることにより減少する
ことができる。電気的フィードバック回路は、測定され
た瞬時波長を特定値に維持するように、基板と支持部材
との間の電位を変化させる。
造体にトラップされた光を増幅するアクティブ層からな
る同調可能なレーザを形成すること等に使用することが
できる。この同調可能なレーザの場合、熱的に誘導され
る変動を、レーザからの瞬時の波長を決定する干渉計ま
たはその他の波長選択装置を備えることにより減少する
ことができる。電気的フィードバック回路は、測定され
た瞬時波長を特定値に維持するように、基板と支持部材
との間の電位を変化させる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るファブリ・
ペロー共振器用中空構造体の実施の形態を図面に基づい
て詳細に説明する。
ペロー共振器用中空構造体の実施の形態を図面に基づい
て詳細に説明する。
【0015】図1は、ファブリ・ペローに基づくフィル
タまたはレーザの平面図、図2は、図1の11−12線
に沿って見たレーザの断面図である。これら図1、2に
示すように、ファブリ・ペロー共振器用の中空構造体
は、ミラー13とミラー14との間に形成される。この
うち、ミラー14は平坦であり、半導体基板10上に配
されている。また、ミラー13は一般的には湾曲してお
り、複数のマイクロメカニカルなカンチレバー15〜1
8に懸架されている。これらのミラー13、14は、層
から層へ変化する屈折率を備えた多数の透明材料の層か
ら構成されることが好ましい。このようなミラー13、
14は、半導体レーザ技術では公知であるのでため、そ
の詳細な説明は省略する。また、図面を簡略化するた
め、これらのミラー13、14の層を重ねた構造も省略
する。
タまたはレーザの平面図、図2は、図1の11−12線
に沿って見たレーザの断面図である。これら図1、2に
示すように、ファブリ・ペロー共振器用の中空構造体
は、ミラー13とミラー14との間に形成される。この
うち、ミラー14は平坦であり、半導体基板10上に配
されている。また、ミラー13は一般的には湾曲してお
り、複数のマイクロメカニカルなカンチレバー15〜1
8に懸架されている。これらのミラー13、14は、層
から層へ変化する屈折率を備えた多数の透明材料の層か
ら構成されることが好ましい。このようなミラー13、
14は、半導体レーザ技術では公知であるのでため、そ
の詳細な説明は省略する。また、図面を簡略化するた
め、これらのミラー13、14の層を重ねた構造も省略
する。
【0016】このような構造において、カンチレバー1
5〜18と基板10との間に、駆動回路(ドライバ回
路)266により発生される同調電圧を印加することに
より、懸架されているミラー13をミラー14の方向へ
移動させ、2つのミラー13、14間の空間を縮小させ
ることができる。この時、中空構造体の共振周波数は、
ミラー13、14間の距離により決定されるので、これ
ら2つのミラー13、14間の距離を減少させること
は、中空構造体の共振光学的周波数を増加させることに
なる。
5〜18と基板10との間に、駆動回路(ドライバ回
路)266により発生される同調電圧を印加することに
より、懸架されているミラー13をミラー14の方向へ
移動させ、2つのミラー13、14間の空間を縮小させ
ることができる。この時、中空構造体の共振周波数は、
ミラー13、14間の距離により決定されるので、これ
ら2つのミラー13、14間の距離を減少させること
は、中空構造体の共振光学的周波数を増加させることに
なる。
【0017】したがって、この共振周波数をシフトさせ
ることにより、当該装置を、同調可能なバンドパスフィ
ルタとして使用することが可能になる。また、光学的に
ポンピングされた、あるいは、電気的にポンピングされ
た光学的な利得媒体20を、中空構造体内に配すること
により、当該装置を、ファブリ・ペロー中空構造体の共
振周波数によって制御されるレーザ波長を備える同調可
能なレーザとして使用することが可能になる。
ることにより、当該装置を、同調可能なバンドパスフィ
ルタとして使用することが可能になる。また、光学的に
ポンピングされた、あるいは、電気的にポンピングされ
た光学的な利得媒体20を、中空構造体内に配すること
により、当該装置を、ファブリ・ペロー中空構造体の共
振周波数によって制御されるレーザ波長を備える同調可
能なレーザとして使用することが可能になる。
【0018】このようなMEMフィルタ及びMEM同調
可能なレーザの構成においては、光学的中空構造体の2
つのミラー13、14間の比較的小さい空間が重要であ
る。例えば、このミラー間隔を数ミクロン程度にするこ
とにより、約30ボルトの入力同調電圧範囲に対して、
60ナノメータまたはそれ以上の同調範囲で使用するこ
とができる。
可能なレーザの構成においては、光学的中空構造体の2
つのミラー13、14間の比較的小さい空間が重要であ
る。例えば、このミラー間隔を数ミクロン程度にするこ
とにより、約30ボルトの入力同調電圧範囲に対して、
60ナノメータまたはそれ以上の同調範囲で使用するこ
とができる。
【0019】さて、上述したように、図1及び図2に示
される公知の従来技術は、ミラー13、14及びその支
持構造に関連する熱的なエネルギによって周波数ノイズ
を引き起こすという欠点を持っている。本質的には、当
該装置に印加されるいかなる固定入力制御電圧に対して
も、フィルタの中心周波数が平均値に対してランダムに
変動する(揺らぐ)。ここで、フィルタ減衰機能は周波
数に応じて変化するので、中心周波数のかかる変動はフ
ィルタ処理された光の振幅に変動(揺らぎ)を生じさせ
る。そして、このように変動(揺らぎ)が生じることに
より、フィルタを多くの用途に適用することが困難にな
る。
される公知の従来技術は、ミラー13、14及びその支
持構造に関連する熱的なエネルギによって周波数ノイズ
を引き起こすという欠点を持っている。本質的には、当
該装置に印加されるいかなる固定入力制御電圧に対して
も、フィルタの中心周波数が平均値に対してランダムに
変動する(揺らぐ)。ここで、フィルタ減衰機能は周波
数に応じて変化するので、中心周波数のかかる変動はフ
ィルタ処理された光の振幅に変動(揺らぎ)を生じさせ
る。そして、このように変動(揺らぎ)が生じることに
より、フィルタを多くの用途に適用することが困難にな
る。
【0020】一方、本発明は、周波数の変動に応答する
ノイズのメカニズムが、可動ミラー213、及びそれを
支持するマイクロメカニカルなカンチレバー216にお
けるサーマルノイズにあるという着想に基づいている。
上記したように、可動ミラー213は、この可動ミラー
213の周囲の空気と熱的平衡状態にあるので、空気の
温度、あるいは、可動ミラー213及びその支持体の機
械的な特性によって定められる振幅に応じて振動する。
この振動は、その他の固定ミラー214に対する可動ミ
ラー213の位置における機械的な変動(揺らぎ)を生じ
させる。これらの機械的な変動は、換言すれば、ファブ
リ・ペロー中空構造体の共振光学的周波数における変動
を生じさせる。機械的変動は可動ミラー213及びそれ
を支持するカンチレバー216のいかなる共振によって
も悪化する。
ノイズのメカニズムが、可動ミラー213、及びそれを
支持するマイクロメカニカルなカンチレバー216にお
けるサーマルノイズにあるという着想に基づいている。
上記したように、可動ミラー213は、この可動ミラー
213の周囲の空気と熱的平衡状態にあるので、空気の
温度、あるいは、可動ミラー213及びその支持体の機
械的な特性によって定められる振幅に応じて振動する。
この振動は、その他の固定ミラー214に対する可動ミ
ラー213の位置における機械的な変動(揺らぎ)を生じ
させる。これらの機械的な変動は、換言すれば、ファブ
リ・ペロー中空構造体の共振光学的周波数における変動
を生じさせる。機械的変動は可動ミラー213及びそれ
を支持するカンチレバー216のいかなる共振によって
も悪化する。
【0021】ノイズの周波数スペクトルは、比較的低く
典型的には1MHz未満である。ノイズをキャンセルし
たり、大きくまたは小さくしたりするためにフィードバ
ック(帰還)技術を使うことができるほど、このノイズ
スペクトルは十分に低い。
典型的には1MHz未満である。ノイズをキャンセルし
たり、大きくまたは小さくしたりするためにフィードバ
ック(帰還)技術を使うことができるほど、このノイズ
スペクトルは十分に低い。
【0022】図3には、本発明の一つの実施の形態に係
るファブリ・ペローフィルタ200の断面図を示す。こ
の実施の形態おいて、可動ミラー213は、単独のカン
チレバーアームの代わりに、円形の支持メンブレン21
6上に支持されている。
るファブリ・ペローフィルタ200の断面図を示す。こ
の実施の形態おいて、可動ミラー213は、単独のカン
チレバーアームの代わりに、円形の支持メンブレン21
6上に支持されている。
【0023】このフィルタ200において、ミラー21
3、214間の最大距離218は、基板203と支持メ
ンブレン216との間に、距離217とは別個に設定さ
れている。すなわち、固定ミラー214は、基板203
内にエッチングされた井戸部(ウェル部)220の中に
配されている。したがって、フィルタ200は、メンブ
レン216と基板203との間に比較的小さな分離部を
形成しながら、ミラー213、214間に比較的大きな
分離部を具備している。ここで、メンブレン216と基
板203との間の最小距離は、フィルタ200の共振周
波数が同調されるべき周波数値の範囲により設定されて
いる。この距離は1光学波長程度の大きさとすることが
できる。これに比してミラー213、214間の距離
は、典型的には5波長以上である。
3、214間の最大距離218は、基板203と支持メ
ンブレン216との間に、距離217とは別個に設定さ
れている。すなわち、固定ミラー214は、基板203
内にエッチングされた井戸部(ウェル部)220の中に
配されている。したがって、フィルタ200は、メンブ
レン216と基板203との間に比較的小さな分離部を
形成しながら、ミラー213、214間に比較的大きな
分離部を具備している。ここで、メンブレン216と基
板203との間の最小距離は、フィルタ200の共振周
波数が同調されるべき周波数値の範囲により設定されて
いる。この距離は1光学波長程度の大きさとすることが
できる。これに比してミラー213、214間の距離
は、典型的には5波長以上である。
【0024】この図3に示した構成によれば、駆動電圧
の関数として、より大きな偏向を提供することに加え
て、さらに可動ミラー213の位置をモニタすることが
できる。すなわち、支持メンブレン216と基板203
との間で減縮された空間は、支持メンブレン216及び
その下の基板203によって形成されるキャパシタ(コ
ンデンサ)のキャパシタンス(電気的容量)を実質的に
大きく増加させる。例えば、200〜600ミクロンの
直径を備えた支持メンブレン216に対して、キャパシ
タンスは、0.3〜2.5ミクロンの支持メンブレン2
16と基板203との間の距離に対して1pFのオーダ
である。キャパシタンスの当該レベルは、電気的に測定
され、支持メンブレン216の実際の偏向(撓み)を決定
するために使用される。各時点における測定の結果に基
づいて、熱的な振動を緩衝するように偏向電圧を調節
し、熱的振動に関連するノイズをさらに減少させること
ができる。
の関数として、より大きな偏向を提供することに加え
て、さらに可動ミラー213の位置をモニタすることが
できる。すなわち、支持メンブレン216と基板203
との間で減縮された空間は、支持メンブレン216及び
その下の基板203によって形成されるキャパシタ(コ
ンデンサ)のキャパシタンス(電気的容量)を実質的に
大きく増加させる。例えば、200〜600ミクロンの
直径を備えた支持メンブレン216に対して、キャパシ
タンスは、0.3〜2.5ミクロンの支持メンブレン2
16と基板203との間の距離に対して1pFのオーダ
である。キャパシタンスの当該レベルは、電気的に測定
され、支持メンブレン216の実際の偏向(撓み)を決定
するために使用される。各時点における測定の結果に基
づいて、熱的な振動を緩衝するように偏向電圧を調節
し、熱的振動に関連するノイズをさらに減少させること
ができる。
【0025】図4は、本発明によるファブリ・ペローフ
ィルタを備えた、偏向電圧をサーボできるフィードバッ
クシステムのブロック図である。フィードバック回路と
いう見地において、ファブリ・ペローフィルタは、キャ
パシタ両端間の電圧を調整することによりキャパシタン
スを変化させることができるキャパシタ310と等価で
ある。ここで、キャパシタンス測定回路312は、各時
点のキャパシタンスを測定する。また、コントローラ3
14は、ファブリ・ペローフィルタ間の電圧を調節し、
サーマル温度ノイズの変動(揺らぎ)を調節する。
ィルタを備えた、偏向電圧をサーボできるフィードバッ
クシステムのブロック図である。フィードバック回路と
いう見地において、ファブリ・ペローフィルタは、キャ
パシタ両端間の電圧を調整することによりキャパシタン
スを変化させることができるキャパシタ310と等価で
ある。ここで、キャパシタンス測定回路312は、各時
点のキャパシタンスを測定する。また、コントローラ3
14は、ファブリ・ペローフィルタ間の電圧を調節し、
サーマル温度ノイズの変動(揺らぎ)を調節する。
【0026】測定回路312の時定数は、消去すべき最
高の周波数ノイズの周期よりも、ずっと小さくする必要
がある。また、キャパシタンス測定回路312によって
キャパシタ310に付与されるAC信号の周波数は、こ
のAC信号によって共振周波数が変調されることを回避
するために、少なくとも、支持構造の機械的共振周波数
よりも高次元にする必要がある。
高の周波数ノイズの周期よりも、ずっと小さくする必要
がある。また、キャパシタンス測定回路312によって
キャパシタ310に付与されるAC信号の周波数は、こ
のAC信号によって共振周波数が変調されることを回避
するために、少なくとも、支持構造の機械的共振周波数
よりも高次元にする必要がある。
【0027】ここで、基準レーザに基づくフィードバッ
ク回路を、本発明によるファブリ・ペローフィルタに利
用することにより、ノイズを減少させることもできる。
図5には、本発明の一つの実施の形態に従ったレーザ安
定フィルタ構成部500のブロック図を示す。ここで
は、出力波長λREFを持つ基準レーザが、λfの共振波長
でフィルタを維持するように使用される。なお、nλ
REF=mλfであり、n及びmは整数である。
ク回路を、本発明によるファブリ・ペローフィルタに利
用することにより、ノイズを減少させることもできる。
図5には、本発明の一つの実施の形態に従ったレーザ安
定フィルタ構成部500のブロック図を示す。ここで
は、出力波長λREFを持つ基準レーザが、λfの共振波長
でフィルタを維持するように使用される。なお、nλ
REF=mλfであり、n及びmは整数である。
【0028】ファブリ・ペローフィルタ514には、基
準信号と、フィルタ処理されるべき入力信号とが、組み
合わせて入力される。これらは、部分反射ミラー519
の補助により併合される。このうち、基準信号は、周波
数Fmの基準レーザ光を変調することにより発生され、
図6に示されるようなλREFに関して、周波数Fmだけに
分離された2個の側波帯515及び側波帯517を備え
た基準信号を発生する。そして、ファブリ・ペローフィ
ルタ514の共振周波数が僅かに変動させられると、そ
れぞれの側波帯は相違しつつ減衰させられる。
準信号と、フィルタ処理されるべき入力信号とが、組み
合わせて入力される。これらは、部分反射ミラー519
の補助により併合される。このうち、基準信号は、周波
数Fmの基準レーザ光を変調することにより発生され、
図6に示されるようなλREFに関して、周波数Fmだけに
分離された2個の側波帯515及び側波帯517を備え
た基準信号を発生する。そして、ファブリ・ペローフィ
ルタ514の共振周波数が僅かに変動させられると、そ
れぞれの側波帯は相違しつつ減衰させられる。
【0029】ここで、側波帯コンパレータ520がファ
ブリ・ペローフィルタ514の一部分で動作する。この
側波帯コンパレータ回路520の出力は、コントローラ
522に入力され、固定ミラー214及び可動ミラー2
13間に印加される制御電圧を調節する。なお、基準信
号は、フィルタ518によって出力光から遮断され得
る。また、変調周波数は、フィードバック構成部によっ
て消去すべき最大の周波数ノイズよりも、ずっと大きい
周波数を取り得る。
ブリ・ペローフィルタ514の一部分で動作する。この
側波帯コンパレータ回路520の出力は、コントローラ
522に入力され、固定ミラー214及び可動ミラー2
13間に印加される制御電圧を調節する。なお、基準信
号は、フィルタ518によって出力光から遮断され得
る。また、変調周波数は、フィードバック構成部によっ
て消去すべき最大の周波数ノイズよりも、ずっと大きい
周波数を取り得る。
【0030】ここで、基準レーザ出力を変調する代わり
に、周波数Fmにおけるメンブレン216と基板203
との間の制御電圧を変調することによって、基準レーザ
コントローラが同じ変調動作を有効に実行できる。この
場合は、光からの出力が、周波数Fmにおいて側波帯を
備える。多くの用途において、このような側波帯はほと
んど重要ではなく、またはこの側波帯は、フィルタ処理
された光を検出する回路における周波数Fmにおいて、
ノッチフィルタを備えることにより除去できる。
に、周波数Fmにおけるメンブレン216と基板203
との間の制御電圧を変調することによって、基準レーザ
コントローラが同じ変調動作を有効に実行できる。この
場合は、光からの出力が、周波数Fmにおいて側波帯を
備える。多くの用途において、このような側波帯はほと
んど重要ではなく、またはこの側波帯は、フィルタ処理
された光を検出する回路における周波数Fmにおいて、
ノッチフィルタを備えることにより除去できる。
【0031】本発明によるファブリ・ペロ−フィルタ
は、フィルタの中空構造体に光学的な利得(ゲイン)を
与える材料を含ませることで、同調可能なレーザとして
用いることができる。図7には、本発明によるファブリ
・ペロ−フィルタから構成されたレーザ350の断面図
を示す。なお、図5に示されている構成要素と同じ機能
を備えたレーザ350の構成要素は、両図面において同
一の符号で示す。
は、フィルタの中空構造体に光学的な利得(ゲイン)を
与える材料を含ませることで、同調可能なレーザとして
用いることができる。図7には、本発明によるファブリ
・ペロ−フィルタから構成されたレーザ350の断面図
を示す。なお、図5に示されている構成要素と同じ機能
を備えたレーザ350の構成要素は、両図面において同
一の符号で示す。
【0032】図7のレーザ350においては、マルチプ
ル量子井戸システム(multiple quantum well system)
からなる光学的にポンピングされたまたは電気的にポン
ピングされたアクティブ(活性)領域355によって、
光学的中空構造体内を前後にはね返る光が増幅される。
この時、可動ミラー213と基板203との間に電圧を
印加することによって、可動ミラー213と固定ミラー
214との間の距離を変化させ、レーザ350の出力波
長を調整することができる。
ル量子井戸システム(multiple quantum well system)
からなる光学的にポンピングされたまたは電気的にポン
ピングされたアクティブ(活性)領域355によって、
光学的中空構造体内を前後にはね返る光が増幅される。
この時、可動ミラー213と基板203との間に電圧を
印加することによって、可動ミラー213と固定ミラー
214との間の距離を変化させ、レーザ350の出力波
長を調整することができる。
【0033】上述したように、本発明によるファブリ・
ペロ−フィルタは、光を増幅するための中空構造体内に
アクティブ層(活性層)を含ませることにより、レーザ
として用いることができる。このアクティブ層は、光学
的または電気的にポンピングすることができる。このよ
うにレーザとして用いる場合には、支持メンブレンと基
板との間の偏向電圧は、レーザ出力と基準レーザ出力と
を比較することによって調節できる。
ペロ−フィルタは、光を増幅するための中空構造体内に
アクティブ層(活性層)を含ませることにより、レーザ
として用いることができる。このアクティブ層は、光学
的または電気的にポンピングすることができる。このよ
うにレーザとして用いる場合には、支持メンブレンと基
板との間の偏向電圧は、レーザ出力と基準レーザ出力と
を比較することによって調節できる。
【0034】次に、図8には、レーザフィードバック回
路360を示す。このレーザフィードバック回路360
は、図7に示されたレーザ350の如き同調可能なレー
ザ上で、同調電圧を制御するものである。ここでは、基
板203は透明な材料であり、サーボ光信号が、可動ミ
ラー213を出射するレーザ光の出力を妨げることな
く、基板203を通過することができるものとする。な
お、固定ミラー214の反射率は、必要に応じてこのサ
ーボ光信号の強度を高めるために僅かに小さくできる。
路360を示す。このレーザフィードバック回路360
は、図7に示されたレーザ350の如き同調可能なレー
ザ上で、同調電圧を制御するものである。ここでは、基
板203は透明な材料であり、サーボ光信号が、可動ミ
ラー213を出射するレーザ光の出力を妨げることな
く、基板203を通過することができるものとする。な
お、固定ミラー214の反射率は、必要に応じてこのサ
ーボ光信号の強度を高めるために僅かに小さくできる。
【0035】この構成においては、コントローラ375
による基準レーザ371とファブリ・ペローレーザ36
0との間における波長差を決定させる方法によって、比
較が可能である。例えば、基準レーザ371及びレーザ
360によって出射させられた光束は、部分反射ミラー
372及び検出器(ディテクタ)373を用いて併合さ
せられ、そのビート周波数がカウンタ374によりカウ
ントされる。次に、コントローラ375が、メンブレン
216と基板203との間のポテンシャルを調節する。
ここで、基準レーザ371の周波数は、ビート周波数が
サーボ機構により除去されるべき熱的変動(揺らぎ)と
比較して短時間内で測定できるように選択する必要があ
る。なお、検出器(ディテクタ)の他の形式を使用する
こともできる。
による基準レーザ371とファブリ・ペローレーザ36
0との間における波長差を決定させる方法によって、比
較が可能である。例えば、基準レーザ371及びレーザ
360によって出射させられた光束は、部分反射ミラー
372及び検出器(ディテクタ)373を用いて併合さ
せられ、そのビート周波数がカウンタ374によりカウ
ントされる。次に、コントローラ375が、メンブレン
216と基板203との間のポテンシャルを調節する。
ここで、基準レーザ371の周波数は、ビート周波数が
サーボ機構により除去されるべき熱的変動(揺らぎ)と
比較して短時間内で測定できるように選択する必要があ
る。なお、検出器(ディテクタ)の他の形式を使用する
こともできる。
【0036】さて、これまで本発明の実施の形態につい
て説明したが、本発明は、上述した実施の形態以外に
も、上記特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内
において種々の異なる実施の形態にて実施されてよいも
のである。
て説明したが、本発明は、上述した実施の形態以外に
も、上記特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内
において種々の異なる実施の形態にて実施されてよいも
のである。
【0037】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、ミラー及びその支持構造に関連する熱的なエネルギ
によって引き起こされる、好ましくない周波数ノイズを
引き起こすとを防止することができる。また、装置に印
加されるいかなる固定入力制御電圧に対しても、フィル
タの中心周波数が平均値に対してランダムに変動する
(揺らぐ)こを防止することができる。
ば、ミラー及びその支持構造に関連する熱的なエネルギ
によって引き起こされる、好ましくない周波数ノイズを
引き起こすとを防止することができる。また、装置に印
加されるいかなる固定入力制御電圧に対しても、フィル
タの中心周波数が平均値に対してランダムに変動する
(揺らぐ)こを防止することができる。
【0038】以上の記載に基づく、本発明の実施態様を
以下に示す。 (実施態様1)所定波長範囲から選択できる共振波長を
備えた同調可能な光学的中空構造体(200、350、
360、514,310)において、第1導電性面を持
つ基板(203)に取り付けられた固定ミラー(21
4)と、可動ミラー(213)を持ち、第2導電性面を
持つ前記基板(203)上に懸架された支持部材(21
6)と、前記第1導電性面と前記第2導電性面との間に
電気的ポテンシャルを与える駆動回路(266)と、前
記固定ミラーと前記可動ミラーとの間の距離を測定し、
この測定に対応して、前記ポテンシャルを調節する測定
回路(312、314、360、520、522)と、
を備えることを特徴とする同調可能な光学的中空構造体
(200、350、360、514、310)。 (実施態様2)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、前記支持部材(216)と前
記基板(203)との間の容量性結合を測定する回路を
備えること、を特徴とする実施態様1に記載の光学的中
空構造体(200、350、360、514、31
0)。 (実施態様3)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、既知スペクトルを持つ光源
(510、512)と、前記光源(510、512)か
らの光が前記光学的中空構造体(200、350、36
0、514、310)を通過するときの前記スペクトル
の変化を検出する回路(520)と、を備えることを特
徴とする実施態様1に記載の光学的中空構造体(20
0、350、360、514、310)。 (実施態様4)前記中空構造体(200、350、36
0、514、310)内にトラップされる光を増幅する
アクティブ層(355)を備えること、を特徴とする実
施態様1に記載の光学的中空構造体(200、350、
360、514、310)。 (実施態様5)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、前記増幅された前記光の波長
を測定する回路(360)を備えること、を備えること
を特徴とする実施態様4に記載の光学的中空構造体(2
00、350、360、514、310)。 (実施態様6)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、基準波長を持つ基準光信号を
発生する基準レーザ(371)と、前記増幅光の波長と
前記基準波長との差を測定する回路(373、374)
と、を備えることを特徴とする実施態様5に記載の光学
的中空構造体(200、350、360、514、31
0)。 (実施態様7)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、基準レーザ(371)と、所
定周波数で前記基板(203)と前記支持部材(21
6)との間の前記電位を変調する回路と、を備えること
を特徴とする実施態様1に記載の光学的中空構造体(2
00、350、360、514、310)。 (実施態様8)実施態様1乃至7のいずれか1項に記載
の前記光学的中空構造体、を備えることを特徴とするフ
ァブリ・ペロー光学共振器。 (実施態様9)実施態様1乃至7のいずれか1項に記載
の前記光学的中空構造体、を備えることを特徴とするフ
ァブリ・ペロー光学フィルタ。 (実施態様10)実施態様8または実施態様9に記載の
前記ファブリ・ペロー光学共振器または前記ファブリ・
ペロー光学フィルタ、を備えることを特徴とするレー
ザ。
以下に示す。 (実施態様1)所定波長範囲から選択できる共振波長を
備えた同調可能な光学的中空構造体(200、350、
360、514,310)において、第1導電性面を持
つ基板(203)に取り付けられた固定ミラー(21
4)と、可動ミラー(213)を持ち、第2導電性面を
持つ前記基板(203)上に懸架された支持部材(21
6)と、前記第1導電性面と前記第2導電性面との間に
電気的ポテンシャルを与える駆動回路(266)と、前
記固定ミラーと前記可動ミラーとの間の距離を測定し、
この測定に対応して、前記ポテンシャルを調節する測定
回路(312、314、360、520、522)と、
を備えることを特徴とする同調可能な光学的中空構造体
(200、350、360、514、310)。 (実施態様2)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、前記支持部材(216)と前
記基板(203)との間の容量性結合を測定する回路を
備えること、を特徴とする実施態様1に記載の光学的中
空構造体(200、350、360、514、31
0)。 (実施態様3)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、既知スペクトルを持つ光源
(510、512)と、前記光源(510、512)か
らの光が前記光学的中空構造体(200、350、36
0、514、310)を通過するときの前記スペクトル
の変化を検出する回路(520)と、を備えることを特
徴とする実施態様1に記載の光学的中空構造体(20
0、350、360、514、310)。 (実施態様4)前記中空構造体(200、350、36
0、514、310)内にトラップされる光を増幅する
アクティブ層(355)を備えること、を特徴とする実
施態様1に記載の光学的中空構造体(200、350、
360、514、310)。 (実施態様5)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、前記増幅された前記光の波長
を測定する回路(360)を備えること、を備えること
を特徴とする実施態様4に記載の光学的中空構造体(2
00、350、360、514、310)。 (実施態様6)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、基準波長を持つ基準光信号を
発生する基準レーザ(371)と、前記増幅光の波長と
前記基準波長との差を測定する回路(373、374)
と、を備えることを特徴とする実施態様5に記載の光学
的中空構造体(200、350、360、514、31
0)。 (実施態様7)前記測定回路(312、314、36
0、520、522)が、基準レーザ(371)と、所
定周波数で前記基板(203)と前記支持部材(21
6)との間の前記電位を変調する回路と、を備えること
を特徴とする実施態様1に記載の光学的中空構造体(2
00、350、360、514、310)。 (実施態様8)実施態様1乃至7のいずれか1項に記載
の前記光学的中空構造体、を備えることを特徴とするフ
ァブリ・ペロー光学共振器。 (実施態様9)実施態様1乃至7のいずれか1項に記載
の前記光学的中空構造体、を備えることを特徴とするフ
ァブリ・ペロー光学フィルタ。 (実施態様10)実施態様8または実施態様9に記載の
前記ファブリ・ペロー光学共振器または前記ファブリ・
ペロー光学フィルタ、を備えることを特徴とするレー
ザ。
【図1】ファブリ・ペローに基づくフィルタまたはレー
ザの平面図である。
ザの平面図である。
【図2】図1における11−12線に沿ったレーザの断
面図である。
面図である。
【図3】本発明のその他の実施例におけるファブリ・ペ
ローフィルタの断面図である。
ローフィルタの断面図である。
【図4】偏向電圧をサーボするために本発明によるファ
ブリ・ペローフィルタに用いることができるフィードバ
ックシステムのブロック図である。
ブリ・ペローフィルタに用いることができるフィードバ
ックシステムのブロック図である。
【図5】本発明の実施例におけるレーザ安定フィルタ構
成のブロック図である。
成のブロック図である。
【図6】図7に示されるフィードバック構成に用いられ
るスペクトル線を示す。
るスペクトル線を示す。
【図7】図6に示されるファブリ・ペローフィルタから
構成されるレーザ350の断面図である。
構成されるレーザ350の断面図である。
【図8】本発明による同調可能なレーザの同調電圧を制
御するレーザフィードバック回路のブロック図である。
御するレーザフィードバック回路のブロック図である。
200、350、360、514、310:光学的中空
構造体 203:基板 213:可動ミラー 214:固定ミラー 216:支持部材(メンブレン) 266:駆動回路 312、314、360、520、522:測定回路
構造体 203:基板 213:可動ミラー 214:固定ミラー 216:支持部材(メンブレン) 266:駆動回路 312、314、360、520、522:測定回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01S 5/0687 H01S 5/14 5/14 5/343 5/343 G02B 7/18 Z (71)出願人 399117121 395 Page Mill Road P alo Alto,California U.S.A. (72)発明者 ウエイン・ヴイ・ソリン アメリカ合衆国カリフォルニア州マウンテ ン・ビュー ケンブリッジ・レーン3579 (72)発明者 ダグラス・エム・ベイニー アメリカ合衆国カリフォルニア州ロス・ア ルトス クリントン・ロード897 Fターム(参考) 2G020 CA12 CB06 CB23 CC23 CC26 CC56 CD22 CD32 2H041 AA21 AB14 AC06 AZ02 AZ06 AZ08 2H043 CA08 CD04 CE00 2H048 GA13 GA25 GA51 GA60 GA61 5F073 AA74 AB17 AB25 AB29 EA03 GA36
Claims (1)
- 【請求項1】 所定波長範囲から選択できる共振波長を
備えた、同調可能なファブリ・ペロー共振器用光学的中
空構造体において、 第1導電性面を持つ基板に取り付けられた固定ミラー
と、 可動ミラーを備え、第2導電性面を持つ前記基板上に懸
架された支持部材と、 前記第1導電性面と前記第2導電性面との間に電気的ポ
テンシャルを与える駆動回路と、 前記固定ミラーと前記可動ミラーとの間の距離を測定
し、この測定に対応して、前記ポテンシャルを調節する
測定回路と、 を備えることを特徴とするファブリ・ペロー共振器用光
学的中空構造体。
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