JP2003185941A

JP2003185941A - ファブリペローフィルタ

Info

Publication number: JP2003185941A
Application number: JP2001387273A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiko Kanbara; 敦彦蒲原; Tetsuya Watanabe; 哲也渡辺
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】可動鏡に反りが発生せず光学的活性領域が広
く、可動鏡の傾きを容易に制御することができ、製造の
容易なファブリペローフィルタを提供すること。【解決手段】固定鏡と可動鏡とを有するァブリペロー
フィルタにおいて、固定鏡が形成される固定基板と、固
定基板にスペーサを介して接続される可動基板と、可動
基板が方形溝状にエッチングされて薄肉に形成される導
電性を有するダイアフラムと、可動基板のダイアフラム
に囲まれる位置に厚肉に形成されると共に可動鏡が形成
される突起部と、固定鏡上に形成され前記ダイアフラム
に対向配置される固定電極と、固定電極上に形成される
絶縁膜とを有し、固定電極とダイアフラムとの間に駆動
電圧を印加して発生する静電力により可動基板を駆動し
てギャップを可変としたことを特徴とするファブリペロ
ーフィルタ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、任意所望の波長の
光を選択して透過させるファブリペローフィルタに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ファブリペローフィルタは、反射率の高
い固定鏡と可動鏡との間にギャップを形成させ、互いに
向かい合わせた光学フィルタであり、可動鏡を固定鏡の
方向に変位させてギャップの大きさを変化させ、ギャッ
プの大きさに応じた波長を選択して透過させるものであ
る。

【０００３】そして、特定の中心波長λで動作するよう
に設計されたファブリペローフィルタにおいては、固定
鏡と可動鏡の厚さｄは、λ／４＝ｎｄ（ｎ：屈折率）の
条件を満たすように製造される。そして、ファブリペロ
ーフィルタは、２ｎＤ＝Ｎλ’（ｎ：屈折率，Ｎ：整
数，Ｄ：ギャップの大きさ）の条件を満たす光の波長
λ’を選択して透過させる。

【０００４】図５は従来のファブリペローフィルタの縦
断面図である。図５において、２０はＳｉ基板、２１は
固定鏡であり、Ｓｉ基板２０上に形成されるＳｉＯ２／
ＴｉＯ２等からなる多層光学薄膜により構成される。２
２は固定電極に対向配置される可動鏡であり、例えばＳ
ｉＯ２／ＴｉＯ２等からなる多層光学薄膜により構成さ
れる。

【０００５】２３は固定鏡２１の中心部が光学的活性領
域２４として露出するように固定鏡２１上に形成される
固定電極であり、例えばＡｕ膜で構成されている。２５
は可動鏡２２を支持する支持膜であり、固定鏡２１と可
動鏡２２の間にギャップを形成するための例えばポリイ
ミドからなるスペーサ２６ａ，２６ｂを介して固定電極
２３に接続されている。そして、支持膜２５は、Ａｌ膜
からなる可動電極２５ａとＳｉＮ膜２５ｂの多層膜から
構成されている。

【０００６】そして、固定電極２３と可動電極２５ａの
間に任意所望の波長選択電圧（駆動電圧）を印加して静
電力を発生させることにより可動鏡２２を駆動させて固
定鏡２１と可動鏡２２の間に形成されるギャップの大き
さを変化させることにより、ファブリペローフィルタは
そのギャップの大きさに対応する任意所望の波長の光を
選択して透過させる。

【０００７】尚、ファブリペローフィルタの製造にあた
っては、Ｓｉ基板２０上に固定鏡２１を構成する多層光
学薄膜を堆積させた後、固定電極２３となるＡｕ膜を蒸
着し、その後Ａｕ膜の中央部をエッチング除去して光学
的活性領域２４を形成する。そしてスペーサ２６ａ，２
６ｂとなるポリイミドを前面塗布した後、支持膜２５と
なるＡｌ膜２５ａ及びＳｉＮ膜２５ｂを堆積させて中央
部をエッチング除去し、除去された中央部に可動鏡２２
となる多層光学薄膜を堆積させて支持膜２５により支持
させる。そして、スペーサ２６ａ，２６ｂを残してポリ
イミドをエッチング除去し、エアギャップ構造を作製す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなフ
ァブリペローフィルタにおいては、次のような問題点が
あった。（１）支持膜により可動鏡を支持しているため、Ｓｉ
基板の応力、可動鏡の応力などにより可動鏡に反りが生
じ、光学的な性能（半値幅等）を制御するために可動鏡
を構成する多層光学薄膜の層数を増やすことが困難であ
る。（２）製造における位置合わせを容易にするために光
学的活性領域を大きくしたいが、可動鏡の反りを回避す
るためには可動鏡を形成する領域を狭くする必要があ
り、光学的活性領域の大きさが制限される。（３）スペーサをポリイミドによって形成しているた
め、その高さのばらつきが大きくなり可動鏡が傾いた状
態となる。この場合、半値幅が広がる等の光学的な性能
を低下させるが、その傾きを制御することが困難であ
る。（４）可動鏡を構成するＴｉＯ２は化学的に安定なため
パターニングが困難であり、可動鏡の形成に際してリフ
トオフの使用、蒸着時におけるハードマスクの使用等が
必要となり、製造プロセスが制約を受ける。

【０００９】本発明は上述した問題点を解決するために
なされたものであり、可動鏡に反りが発生せず光学的活
性領域を広く、可動鏡の傾きを容易に制御することがで
き、製造の容易なファブリペローフィルタを提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１におい
ては、固定鏡とこの固定鏡に大きさ可変のギャップを有
して対向配置される可動鏡とを有し、前記ギャップに対
応する任意所望の波長の光を選択して透過させるファブ
リペローフィルタにおいて、前記固定鏡が形成される固
定基板と、前記固定基板にスペーサを介して接続される
可動基板と、前記可動基板の前記固定基板に対向しない
面が方形溝状にエッチングされて薄肉に形成される導電
性を有するダイアフラムと、前記可動基板の前記ダイア
フラムに囲まれる位置に厚肉に形成されると共に前記可
動鏡が形成される突起部と、前記固定鏡上に形成され前
記ダイアフラムに対向配置される固定電極と、前記固定
電極上に形成される絶縁膜とを有し、前記固定電極と前
記ダイアフラムとの間に駆動電圧を印加して発生する静
電力により前記可動基板を駆動して前記ギャップを可変
としたことを特徴とするファブリペローフィルタであ
る。

【００１１】本発明の請求項２においては、請求項１記
載のファブリペローフィルタにおいて、前記固定基板及
び前記突起部はＳｉであり、前記固定鏡及び前記可動鏡
はＳｉまたはＳｉとＳｉＯ２の多層膜で構成されること
を特徴とするファブリペローフィルタである。

【００１２】本発明の請求項３においては、請求項１記
載のファブリペローフィルタにおいて、前記可動基板の
前記固定基板に対向する面と前記スペーサは導電性を有
し、前記スペーサに接触するように形成され前記ダイア
フラムに通電可能とする駆動電極を設け、前記固定電極
と前記駆動電極との間に前記駆動電圧を印加するように
したことを特徴とするファブリペローフィルタである。

【００１３】本発明の請求項４においては、請求項３記
載のファブリペローフィルタにおいて、前記ギャップの
大きさを検出するギャップ検出部と、前記ギャップ検出
部で検出されたギャップの大きさに基づいて所望のギャ
ップを得るための駆動電圧を算出して前記固定電極と前
記駆動電極との間に印加するギャップ制御部、とを設け
たことを特徴とするファブリペローフィルタである。

【００１４】本発明の請求項５においては、請求項４記
載のファブリペローフィルタにおいて、前記固定電極は
複数個設けられ、前記ギャップ検出部は複数のギャップ
の大きさを検出し、前記ギャップ制御部は、前記ギャッ
プ検出部で検出された複数のギャップの大きさに基づい
て複数の駆動電圧を複数の固定電極ごとに算出して印加
することを特徴とするファブリペローフィルタである。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を用いて説明する。図１は、本発明によるファブリペ
ローフィルタの構成を示す断面図である。

【００１６】図１において、１は例えばＳｉの固定基
板、２は固定基板１上に形成される固定鏡、３ａ，３ｂ
はスペーサ、４は例えばＳｉの可動基板、５はダイアフ
ラム、６は突起部、７は可動鏡、８ａ，８ｂは固定電
極、９は光学的活性領域、１０は絶縁膜、１１は駆動電
極、１２は固定基板１の下部に形成され、反射による光
の損失を防ぐための反射防止膜である。

【００１７】固定鏡２はフィルタの中心波長λの１／４
波長に相当する光学膜厚を有するＳｉの単層又はＳｉ／
ＳｉＯ２の多層膜からなり、固定電極８ａ，８ｂはこの
固定鏡２上に形成され、この固定電極８ａ，８ｂに囲ま
れる部分には固定鏡２が露出した光学的活性領域９が形
成されている。

【００１８】そして、可動基板４は固定基板１の固定電
極８ａ，８ｂが形成される面に対向配置され、固定鏡２
と可動鏡７との間にギャップを形成するための導電性の
スペーサ３ａ，３ｂによって固定基板１に接続されてい
る。尚、可動基板４の固定基板１に対向する面は導電性
を有するように、例えばイオン注入などにより不純物が
高濃度にドープされている。

【００１９】そして、可動基板４はセンターボス構造と
なっており、可動基板４の固定基板１に対向しない面が
異方性エッチングされて薄肉で方形溝状のダイアフラム
５が形成されると共に、ダイアフラム５に囲まれる位置
（センター）に厚肉の突起部６（ボス）が形成されてい
る。尚、ダイアフラム５は固定電極８ａ，８ｂに対向
し、突起部６は光学的活性領域９に対向する位置に配置
されている。

【００２０】そして、可動鏡７は突起部６の固定鏡２と
対向する面に形成され、光学的活性領域９内の固定鏡２
と可動鏡７との間にギャップが形成されている。尚、可
動鏡７は、固定鏡２との間で干渉により特定波長を透過
させる例えばＳｉの単層又はＳｉ／ＳｉＯ２からなる多
層膜反射鏡である。

【００２１】そして、絶縁膜１０は例えばＳｉＯ2であ
り、固定電極８ａ，８ｂ上に形成される。この絶縁膜１
０の膜厚ｄ’は、２ｎ’ｄ’＝Ｎλ’（ｎ’：絶縁膜１
０の屈折率，Ｎ：整数，λ’：光の波長）の条件を満た
すようにすればフィルタに与える光学特性上の影響は少
ない。

【００２２】そして、駆動電極１１はスペーサ３ａに接
触するように絶縁膜１０を介して固定基板１上に形成さ
れている。また、反射防止膜１２は例えばＳｉＯ２であ
り、固定基板１の裏面に形成されている。

【００２３】そして、固定電極８ａ，８ｂと駆動電極１
１との間に駆動電圧を印加すると、ダイアフラム５と固
定電極８ａ，８ｂとの間に静電力が発生し、薄肉のダイ
アフラム５がばねとして機能することにより可動基板４
が駆動され、突起部６に形成された可動鏡７が固定鏡２
の方向に変位することによりギャップの大きさが駆動電
圧に応じた大きさに変化する。尚、ダイアフラム５の固
定電極８ａ，８ｂに対向する位置に導電性部材を設け
て、固定電極８ａ，８ｂとの間に静電力を発生させるよ
うにしても良い。

【００２４】この場合、絶縁膜１０が固定電極８ａ，８
ｂ上に形成されているので固定電極８ａ，８ｂとダイア
フラム５とは絶縁されており、例えばフィルタの製造時
やフィルタの動作時に過大電圧が固定電極８ａ，８ｂと
ダイアフラム５の間に印加された場合にもそれらの間に
過大電流が流れることはない。従って、過大電圧印加時
にも固定電極８ａ，８ｂとダイアフラム５が融着するこ
とはなく、フィルタが破壊されることなく正常な動作を
確保することができる。

【００２５】そして、可動基板４の上方から例えば通信
波長帯域であるＣ−ｂａｎｄ（波長１．５３μｍ〜１．
５６μｍ）内の波長１．５５μｍの光が光ファイバーを
介して入射した場合、Ｓｉは波長１．５５μｍの光に対
して透明であるので、可動鏡７を通り抜け、ギャップの
大きさに対応した所望の波長の光がファブリペローフィ
ルタにより選択されて固定鏡２の下部より出射される。

【００２６】この場合、固定鏡２及び可動鏡７はＳｉの
単層又はＳｉ／ＳｉＯ２の多層膜で構成されているの
で、フォトエッチング等の既知の半導体製造技術により
容易に形成することができる。また、Ｓｉの屈折率
（３．４）はＴｉＯ２の屈折率（２．３）に比べて大き
いため薄い膜厚（少ない積層数）で急峻な透過特性を持
つファブリペローフィルタを実現することができる。

【００２７】次に本発明によるファブリペローフィルタ
の一例についてさらに詳細に説明する。尚、以下の図面
において、図１と重複する部分は同一番号を付してその
説明は適宜に省略する。

【００２８】図２は、本発明の一実施例の構成を示す断
面図であり、図３は図２に示したファブリペローフィル
タの固定基板の平面図、図４は可動基板の平面図であ
る。尚、図２における固定基板及び可動基板は図３、図
４におけるＡ−Ａ’断面図である。

【００２９】図２及び図３において、１は例えばＳｉの
固定基板、２は固定基板上の所定の領域に選択的に形成
された固定鏡であり、例えばＳｉの単層又はＳｉ／Ｓｉ
Ｏ２等からなる多層光学薄膜が堆積されて形成されてい
る。この場合、固定鏡２は、固定基板１上に形成された
例えばＰｏｌｙＳｉ／ＳｉＯ２からなる多層膜１３がパ
ターニングされた領域の内部に形成される。

【００３０】そして、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは光学的
活性領域９を挟み込むように固定鏡２上に形成された固
定電極であり、それぞれ取出し電極１４ａ，１４ｂ，１
４ｃ，１４ｄが接続されている。３ａ_１，３ｂ_１，３ｃ
_１，３ｄ_１は固定電極８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを取り囲
むように多層膜１３上に形成されるスペーサであり、例
えば多層膜１３からＣｒ膜１７、絶縁膜１０、Ａｕ膜１
８が順次積層された多層膜がパターニングされて形成さ
れている。尚、スペーサ３ａ_１を構成するＡｕ膜１８は
駆動電極１１として機能するものである。

【００３１】図２及び図４において、４は可動基板であ
り、例えばＳｉ基板４ａとＳｉＯ２膜４ｂと導電性を有
するＳｉの活性層４ｃとからなるＳＯＩ基板である。５
はダイアフラムであり、Ｓｉ基板４ａを溝状にＳｉＯ２
膜４ｂに達するまで方形溝状に異方性エッチングするこ
とにより形成され、エッチングにより残される中央の厚
肉の突起部６と、活性層４ｃの厚さで突起部６を挟み込
む（取り囲む）ように方形溝状に形成される薄肉のダイ
アフラム５とによりセンターボス構造が形成されてい
る。

【００３２】７は突起部６上のＳｉＯ２膜４ｂと活性層
４ｃが選択的に除去された部分に形成された可動鏡であ
り、例えばＳｉの単層又はＳｉＯ２／ＴｉＯ２等からな
る多層膜光学薄膜（多層膜反射鏡）が堆積されて形成さ
れている。

【００３３】そして、３ａ_２，３ｂ_２，３ｃ_２，３ｄ_２
はダイアフラム５を取り囲むように活性層４ｃ上に形成
されるスペーサであり、例えば活性層４ｃ上にＣｒ膜と
Ａｕ膜が順次積層された金属多層膜がパターニングされ
て形成されている。

【００３４】そして、可動鏡７と固定鏡２の光学的活性
領域９とが対向してギャップを形成ように、スペーサ３
ａ_１と３ａ_２、スペーサ３ｂ_１と３ｂ_２、スペーサ３ｃ
_１と３ｃ_２、スペーサ３ｄ_１と３ｄ_２とをそれぞれ接続
し、固定基板１と可動基板４とを固定することにより、
図２に示すようなファブリペローフィルタが形成され
る。

【００３５】この場合、スペーサ３ａ_１と３ａ_２によっ
てスペーサ３ａが、スペーサ３ｂ_１と３ｂ_２によってス
ペーサ３ｂが、スペーサ３ｃ_１と３ｃ_２によってスペー
サ３ｃが、スペーサ３ｄ_１と３ｄ_２によってスペーサ３
ｄが形成される。

【００３６】そして、図２において、ギャップの大きさ
を検出するギャップ検出部１５が駆動電極１１と図３に
おける取出し電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの少
なくとも一つに接続されており、ギャップ制御部１６が
駆動電極１１と図３における取出し電極１４ａ，１４
ｂ，１４ｃ，１４ｄの少なくとも一つに接続されると共
にギャップ検出部１５に接続されている。

【００３７】ギャップ検出部１５は、例えば、駆動電極
１１と取出し電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの少
なくとも一つとの間に微小振幅の交流電圧を印加し、ダ
イアフラム５と固定電極８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの少な
くとも一つの間の静電容量をインピーダンスを測定する
ことにより検出し、検出された静電容量に基づいてギャ
ップの大きさを検出し、ギャップ制御部１６に出力す
る。

【００３８】そして、ギャップ制御部１６は、ギャップ
検出部１５で検出されたギャップの大きさに基づいて所
望のギャップを得るための駆動電圧を算出し、取出し電
極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ（固定電極８ａ，８
ｂ，８ｃ，８ｄ）のそれぞれと駆動電極１１との間に印
加する。

【００３９】この場合、ダイアフラム５と固定電極８
ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄとの間に静電力が発生し、薄肉の
ダイアフラム５がばねとして機能することにより可動基
板４が駆動され、突起部６に形成された可動鏡７が固定
鏡２の方向に変位することによりギャップの大きさが駆
動電圧に応じた大きさに変化する。

【００４０】そして、可動基板４の上方から光が入射し
た場合、光は可動鏡７を通り抜け、ギャップの大きさに
対応した所望の波長の光がファブリペローフィルタによ
り選択されて固定鏡２の下部より出射される。

【００４１】次に、可動鏡の傾きの制御について説明す
る。まず、ギャップ検出部１５によって、取出し電極１
４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄそれぞれとそれらに対向
するダイアフラム５との複数のギャップを個別に検出す
る。即ち、可動鏡７と固定鏡２との位置により異なる複
数のギャップの大きさを検出することにより、可動鏡７
の傾きを検出する。

【００４２】そして、ギャップ制御部１６によって取出
し電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄそれぞれについ
て個別に、可動鏡７の傾きが小さくなるような複数の駆
動電圧を算出する。そして、算出された複数の駆動電圧
を、取出し電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄそれぞ
れと駆動電極１１との間に個別に印加することにより、
可動鏡７の傾きが補正され、所望のギャップを得る。

【００４３】上述のようなファブリペローフィルタによ
れば、可動鏡７は厚肉の突起部６に形成されているので
反りを発生させることはなく、光学的な性能（半値幅
等）を制御するために可動鏡７を構成する多層光学薄膜
の層数を増やすことが可能となる。

【００４４】また、可動鏡７に反りが発生することがな
いため、可動鏡７を大きくして光学的活性領域を９を大
きくすることができるので、結果として固定基板１と可
動基板４の位置合わせを容易にすることができる。

【００４５】また、可動鏡７の傾きを検出して補正する
ことができるので、半値幅が広がる等の光学的な性能を
低下させることがないように、ファブリペローフィルタ
を駆動することができる。

【００４６】また、可動基板４に形成されているダイア
フラム５に、固定基板１に形成された駆動電極１１から
スペーサ３ａを介して通電するようにしたので、可動基
板４側に電極を設ける必要がなく、固定基板１側だけに
必要な電極を形成することができ、配線構造を簡素にす
ることができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
可動鏡に反りが発生せず、光学的活性領域を広くし可動
鏡の傾きを容易に制御することができるファブリペロー
フィルタを提供することができる。

【００４８】また、本発明によれば、絶縁膜を固定電極
上に形成したので過大電圧が固定電極とダイアフラムの
間に印加された場合にもそれらの間に過大電流が流れる
ことはなく、固定電極とダイアフラムとが融着すること
を防止することができる。

【００４９】また、本発明によれば、固定鏡及び可動鏡
をＴｉＯ２よりも屈折率の大きいＳｉの単層又はＳｉ／
ＳｉＯ２の多層膜で構成したので、フォトエッチング等
の既知の半導体製造技術により容易にパターニングする
ことができ、ＴｉＯ２を使用した場合に比べて急峻な透
過特性を持つファブリペローフィルタを実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるファブリペローフィルタの構成を
示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例の構成を示す断面図である。

【図３】図２に示したファブリペローフィルタの固定基
板の平面図である。

【図４】図２に示したファブリペローフィルタの可動基
板の平面図である。

【図５】従来のファブリペローフィルタの縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１固定基板２固定鏡３ａ，３ｂスペーサ４可動基板５ダイアフラム６突起部７可動鏡８ａ，８ｂ固定電極１０絶縁膜１１駆動電極１５ギャップ検出部１６ギャップ制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定鏡とこの固定鏡に大きさ可変のギャ
ップを有して対向配置される可動鏡とを有し、前記ギャ
ップに対応する任意所望の波長の光を選択して透過させ
るファブリペローフィルタにおいて、前記固定鏡が形成される固定基板と、前記固定基板にスペーサを介して接続される可動基板
と、前記可動基板の前記固定基板に対向しない面が方形溝状
にエッチングされて薄肉に形成される導電性を有するダ
イアフラムと、前記可動基板の前記ダイアフラムに囲まれる位置に厚肉
に形成されると共に前記可動鏡が形成される突起部と、前記固定鏡上に形成され前記ダイアフラムに対向配置さ
れる固定電極と、前記固定電極上に形成される絶縁膜とを有し、前記固定電極と前記ダイアフラムとの間に駆動電圧を印
加して発生する静電力により前記可動基板を駆動して前
記ギャップを可変としたことを特徴とするファブリペロ
ーフィルタ。
【請求項２】請求項１記載のファブリペローフィルタ
において、前記固定基板及び前記突起部はＳｉであり、前記固定鏡
及び前記可動鏡はＳｉまたはＳｉとＳｉＯ２の多層膜で
構成されることを特徴とするファブリペローフィルタ。
【請求項３】請求項１記載のファブリペローフィルタ
において、前記可動基板の前記固定基板に対向する面と前記スペー
サは導電性を有し、前記スペーサに接触するように形成され前記ダイアフラ
ムに通電可能とする駆動電極を設け、前記固定電極と前記駆動電極との間に前記駆動電圧を印
加するようにしたことを特徴とするファブリペローフィ
ルタ。
【請求項４】請求項３記載のファブリペローフィルタ
において、前記ギャップの大きさを検出するギャップ検出部と、前記ギャップ検出部で検出されたギャップの大きさに基
づいて所望のギャップを得るための駆動電圧を算出して
前記固定電極と前記駆動電極との間に印加するギャップ
制御部、とを設けたことを特徴とするファブリペローフ
ィルタ。
【請求項５】請求項４記載のファブリペローフィルタ
において、前記固定電極は複数個設けられ、前記ギャップ検出部は複数のギャップの大きさを検出
し、前記ギャップ制御部は、前記ギャップ検出部で検出され
た複数のギャップの大きさに基づいて複数の駆動電圧を
複数の固定電極ごとに算出して印加することを特徴とす
るファブリペローフィルタ。