JP2005031115A - 波長可変光フィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】低電圧で可動板を駆動することができ、また可動板の変位量を大きくすることのできる波長可変光フィルタを提供する。
【解決手段】固定鏡と、該固定鏡に対向配置される可動鏡と、該可動鏡を駆動させる駆動板１３と、該駆動板１３を保持する外周支持部１８とがベース層１６の上に設けられ、前記駆動板１３に設けられた電極と、前記ベース層１６に設けられた電極間に電圧を加えることにより、前記可動鏡が変位する波長可変光フィルタであって、可動鏡と外周支持部１８との間に１つ以上の駆動板１３を設け、駆動板１３が静電力により変位するものである。
【選択図】 図１
【解決手段】固定鏡と、該固定鏡に対向配置される可動鏡と、該可動鏡を駆動させる駆動板１３と、該駆動板１３を保持する外周支持部１８とがベース層１６の上に設けられ、前記駆動板１３に設けられた電極と、前記ベース層１６に設けられた電極間に電圧を加えることにより、前記可動鏡が変位する波長可変光フィルタであって、可動鏡と外周支持部１８との間に１つ以上の駆動板１３を設け、駆動板１３が静電力により変位するものである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用した静電駆動方式の波長可変光フィルタに関し、特に、低電圧で駆動することができる波長可変光フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来からＷＤＭ光通信網（波長分割多重化光通信網）に使用されている静電駆動方式の波長可変光フィルタの例を示す部分断面図である。図７（ａ）は可動鏡が取り付けられる可動板１と、可動板１を外周部２と接続するバネ部３を示した横断面図であり、図７（ｂ）は可動板１及び外周部２と、その下側に設けられる絶縁部４及び電極部５を示した縦断面図である。可動板１の上側表面には可動鏡（図示せず）が取り付けられており、可動板１は電極部５との間に周期的な電圧が印加され、静電力が与えられるようになっている。このため可動板１は、弾性を有するバネ部３の力と静電力との釣り合いが保たれるよう上下方向に周期運動をすることとなる。なお図７に示す波長可変光フィルタは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用したものであるが、この原理については後に詳述する。
【０００３】
また従来の静電駆動方式の波長可変ファブリ・ペローフィルタでは、図７のバネ部３に相当する部分を螺旋状に湾曲させて、ヒンジ（バネ部）の柔軟性を向上させ、メンブレン（可動板）がスムーズに変位するようにしたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６３４１０３９号明細書（図３．Ａ〜Ｆ）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の静電駆動方式の波長可変光フィルタでは（図７参照）、可動板１の変位量を大きくするために可動板１と電極部５との距離を大きく取ると、静電力は可動板１と電極部５との距離の２乗に反比例するため、印加する電圧を大きくしなければならないという問題点があった。また、印加する電圧を低く抑えるため可動板１と電極部５の距離を小さくすると、可動板１が下方向に変位した際に電極部５とぶつかるため変位量が制限され、低電圧駆動と大変位量の両立が困難であるという問題点があった。
さらに、可動板１と電極部５との間にパルス電圧等の変化の急激な電圧を印加すると、可動板１が所望の位置より行き過ぎてしまうという、いわゆるオーバーシュートの問題点もあった。
【０００６】
また従来の静電駆動方式の波長可変ファブリ・ペローフィルタでは（例えば、特許文献１参照）、図７に示す波長可変光フィルタと同様に、低電圧駆動と、メンブレン（可動板）の変位量の増大の両立が困難であるという問題点があった。
また、メンブレン（可動板）のオーバーシュートの問題点もあった。
【０００７】
本発明は、低電圧で可動板を駆動することができ、また可動板の変位量を大きくすることのできる波長可変光フィルタを提供することを目的とする。また、パルス電圧等の変化の急激な電圧を印加したときに、可動板のオーバーシュートを抑制することのできる波長可変光フィルタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長可変光フィルタは、固定鏡と、該固定鏡に対向配置される可動鏡と、該可動鏡を駆動させる駆動板と、該駆動板を保持する外周支持部とがベース層の上に設けられ、駆動板に設けられた電極と、ベース層に設けられた電極間に電圧を加えることにより、可動鏡が変位する波長可変光フィルタであって、可動鏡と外周支持部との間に１つ以上の駆動板を設け、駆動板が静電力により変位するものである。
光を反射する可動鏡と駆動板を別々に設け、可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板と駆動板を弾性を有する接続部によって接続することにより、駆動板の変位量よりも可動鏡の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。さらに以下に示すように、可動鏡又は可動板と駆動鏡を接続する接続部のバネ定数及び駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数を適当な値に設定することにより、可動鏡の変位量の増幅率を調節したり、パルス電圧が印加された際にオーバーシュートを抑制したりすることができる。
【０００９】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の駆動板が開口部を有し、可動鏡は駆動板の開口部に設けられているものである。
駆動板の中央部に開口部が設けられ、可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板がその開口部に設けられていることにより、可動鏡が安定した平行状態を保って変位することができる。また、このような構造の駆動板及び可動鏡を有する波長可変光フィルタを容易に作成することができる。
【００１０】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動鏡が取付けられる可動板を有し、該可動板及び駆動板が、ＳＯＩ基板からなるものである。
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、絶縁体上シリコン）基板から可動板及び駆動板を容易に作成することができ、また絶縁層が予め形成されているため、図７に示すような外周部２と電極部５の間の絶縁部４を別部材として形成する必要がない。
【００１１】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の可動鏡が取付けられる可動板を有し、該可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部が、同一部材で構成されているものである。
可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部を、ＳＯＩ基板等の同一部材からエッチングにより一体成形することにより、正確なパターンの、可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部を容易に形成することができる。
【００１２】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動鏡の変位する量が、駆動板の駆動により変位する量よりも大きくなるものである。
可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板の質量、駆動板の質量と、可動板、駆動板、外周支持部をそれぞれ接続する接続部のバネ定数を適当に設定することにより、駆動板の変位量よりも可動鏡の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。
【００１３】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板が変位する量よりも、可動鏡の変位する量が小さくなるものである。
駆動板とベース層との間にパルス電圧等を印加すると、上述のように駆動板がオーバーシュートしてしまうが、可動鏡又は可動鏡の取付けられる可動板と駆動板を接続する接続部のバネ定数を、駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数よりも小さい適当な値に設定すれば、駆動板のオーバーシュート量よりも可動鏡又は可動板のオーバーシュート量を低減することができる。オーバシュート量を低減できる可動鏡又は可動板と駆動板を接続する接続部のバネ定数と駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数の比は、理論的な計算によりおおまかな値が求められるが、最終的には実験等から定められる。なお、可動鏡又は可動板と駆動板を接続する接続部のバネ定数と駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数の比の具体的な値については後に述べる。
【００１４】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板に設けられた電極と、ベース層に設けられた電極間に加える電圧が交流電圧である場合に、可動鏡の振動する周期と交流電圧の周波数に対応する周期とが同じになるように、駆動板で質量の設定をするものである。
可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部からなる２自由度の振動系には、可動鏡の変位量が大きく増幅される固有振動数が２つあるが、これらの固有振動数と交流電圧の周波数が同じになるように駆動板の質量を設定すれば、駆動板に対する可動鏡の変位量の増幅率が大きくなり、また可動鏡の変位量の絶対量を大きくすることができる。このとき、可動鏡の振動する周期と交流電圧の周波数に対応する周期とが同じになる。
【００１５】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動鏡が振動する周期と電圧の周波数に対応する周期とが同じになるように、可動板、駆動板及び外周支持部をそれぞれ接続する接続部のバネ定数の設定をするものである。
可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板と上記の接続部からなる振動系の固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように接続部のバネ定数と可動鏡又は可動板の質量を設定することにより、駆動板が微小に変位するだけで可動鏡又は可動板が大きく変位することとなる。なお、可動鏡又は可動板と上記の接続部からなる振動系の固有振動数は、理論的には可動鏡又は可動板の質量と、可動鏡又は可動板と駆動部を接続する接続部のバネ定数から求められるが、この接続部の質量等も考慮しなければならないため、最終的にはシミュレーションや実験値等から求められる。
【００１６】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板及びベース層の少なくとも一方に絶縁膜を備えたものである。
駆動板とベース層との間には電圧が加えられるため、駆動板が変位した際にベース層側と接触するとショートしてしまうこととなる。このため、駆動板とベース層を絶縁するための絶縁膜を設けたものである。
【００１７】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の絶縁膜が、酸化シリコン又は窒化シリコンからなるものである。
駆動板とベース層を絶縁するための絶縁膜が酸化シリコン又は窒化シリコンからなるため、熱酸化又はＣＶＤにより容易にこの絶縁膜を形成することができる。
【００１８】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動板と駆動板を接続する接続部が、複数の梁からなるものである。
可動鏡と駆動板を接続する接続部が複数の梁から構成されているため、可動鏡は安定した平行状態を保って変位することができる。また、この接続部のバネ定数の設定も容易となる。
【００１９】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板と外周支持部を接続する接続部が、複数の梁からなるものである。
駆動板と外周支持部を接続する接続部が複数の梁から構成されているため、駆動板及び可動鏡は安定した平行状態を保って変位することができる。また、このの接続部のバネ定数の設定も容易となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係る波長可変光フィルタを示す縦断面図であり、図２は、図１に示す波長可変光フィルタの下部の横断面図及び縦断面図である。本実施形態１に係る波長可変光フィルタは外枠がフィルタ本体１１となっており、フィルタ本体１１以外は可動板１２、駆動板１３、可動板１２と駆動板１３を接続する第１の接続部１４（図１において図示せず、図２（ａ）参照）、駆動板１３と外周支持部１８を接続する第２の接続部１５（図１において図示せず、図２（ａ）参照）からなっている。なお図２（ａ）に示すように、駆動板１３の中央部には開口部１３ａが設けられており、開口部１３ａの内部に第１の接続部１４を介して可動板１２が設けられる構造となっている。また、駆動板１３の周囲は開口部１８ａとなっている。
【００２１】
図２（ａ）では、第１の接続部１４となる梁が４本と、第２の接続部１５となる梁が４本設けられたものを示しているが、これと異なる本数であってもよい。ただし、第１の接続部１４の梁及び第２の接続部１５の梁が１本ずつであると、後に示すように可動板１２と駆動板１３が変位する際に平行状態を保てず不安定になるため、２本以上ずつ設けるのが望ましい。ここでは、内側の４本の梁をまとめたものを第１の接続部１４と呼んでおり、外側の４本の梁をまとめたものを第２の接続部１５と呼んでいる。
また図２（ａ）では、可動板１２が円板状であって、駆動板１３が可動板１２を囲むリング状に形成されているが、可動板１２を多角形状にするなどして、駆動板１３を可動板１２の周りを取り囲むような形状にしてもよい。また、駆動板１３の周りを囲むように２以上の駆動板を設けるようにしてもよい。
【００２２】
図１に示すようにフィルタ本体１１は、シリコンからなるベース層１６、酸化シリコンからなる酸化シリコン層１７、シリコンからなる外周支持部１８及びホウ珪酸ガラスからなるガラス基板１９から形成されている。ここで、ベース層１６、酸化シリコン層１７及び外周支持部１８はＳＯＩ基板から形成されており、また可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８は、このＳＯＩ基板の上側のシリコン層から一体成形されている。ベース層１６には、可動板１２より若干広い開口部１６ａが形成されており、可動板１２が大きく変位できるようになっている。また開口部１６ａは、光の入射口としても機能する。酸化シリコン層１７は、絶縁層として機能している。
なお、可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８はそれぞれ別部材で形成してもよく、シリコン以外のもので形成してもよい。また、ベース層１６、酸化シリコン層１７をガラス基板等で形成し、別途電極を設けるようにすることもできる。さらに、可動板１２を設けることなく、可動鏡として機能する反射膜等を第１の接続部１４に直接接続してもよい。
【００２３】
可動板１２の下面には、酸化シリコン等の多層膜からなる反射防止膜２０が形成されており、可動板１２の上面には酸化シリコン、窒化シリコン等の多層膜からなる反射膜２１が形成されている。この反射膜２１は、可動鏡として機能するものであり９８％程度の高反射率を有している。またガラス基板１９の、外周支持部１８との接合面側には凹部２２が設けられており、凹部２２の上面に反射膜２１と対向配置されるように反射膜２３が設けられている。この反射膜２３は固定鏡として機能するものであり、９８％程度の高反射率を有し、反射膜２１と平行になるように形成されている。さらにガラス基板１９の上面には、反射防止膜２４が形成されており、駆動板１３の下面及びベース層１６の上面には酸化シリコン又は窒化シリコンからなる絶縁膜２５が形成されている。
【００２４】
図１及び図２に示す波長可変光フィルタは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用したものであり、ＷＤＭ光通信網等において光ファイバーに入射されている各波長の光のモニターや分光などに使用されるものである。
この波長可変光フィルタの作用について説明する。ベース層１６と駆動板１３との間には電圧が加えられている。この電圧は、例えば６０ヘルツの交流電圧や矩形電圧（パルス電圧）であって、駆動板１３には外周支持部１８及び第２の接続部１５を介して供給されるようになっている。この電圧による電位差のため、ベース層１６と駆動板１３との間に静電力が発生し、駆動板１３がベース層１６側に変位する。このとき、第２の接続部１５が弾性を有しているため、駆動板１３は弾性的に変位する。また、弾性を有する第１の接続部１４で駆動板１３と接続されている可動板１２も、駆動板１３が変位するのに伴って変位することとなり、可動板１２に取付けられた可動鏡（反射膜２１）が変位する。このとき可動板１２は、反射膜２１が反射膜２３と平行状態を保つように変位する。
【００２５】
この波長可変光フィルタに、光がフィルタ本体１１の下側（図１の矢印参照）から入射し、開口部１６ａから内部に向かう。この光は反射防止膜２０によりほとんど反射されずに、反射膜２１と反射膜２３の間の空間に入る。この際、光がシリコンからなる可動板１２を通過するが、ＷＤＭ通信網等で使用される光の波長は１５５０ｎｍ付近であるため、光はシリコンを透過する。反射膜２１と反射膜２３の間の空間に入った光は、反射膜２３と反射膜２１の間で反射を繰り返し、最終的に反射膜２３を透過してフィルタ本体１１の上側（図１の矢印参照）から出射する。このとき、ガラス基板１９の上面に反射防止膜２４が形成されているため、光がガラス基板１９と空気の界面でほとんど反射せずに出射する。
【００２６】
上記の反射膜２３（固定鏡）と反射膜２１（可動鏡）の間で光が反射を繰り返す過程において、反射膜２３と反射膜２１の距離に対応する干渉条件を満たさない波長の光は急激に減衰し、この干渉条件を満たした波長の光のみが残って最終的に出射する。これがファブリ・ペロー干渉計の原理であり、この干渉条件を満たした波長の光が透過することとなる。可動板１２は駆動板１３の変位に伴って変位し、反射膜２３と反射膜２１の距離が変わるため、透過する光の波長を選択することが可能である。
【００２７】
図３は、ベース層１６と駆動板１３との間に交流電圧を加えた場合の、可動板１２と駆動板１３の変位量を示した図である。図３（ａ）は、可動板１２の質量と駆動板１３の質量の比が１：１で、第１の接続部１４のバネ定数（以下、バネ定数Ｋ１という）と第２の接続部１５のバネ定数（以下、バネ定数Ｋ２という）の比が１：１であって、交流電圧の周波数が１６０００ヘルツの場合を示している。なお第１の接続部１４のバネ定数とは、第１の接続部１４が複数の梁からなる場合はそれらをすべて合わせたバネ定数をいい、第２の接続部１５についても同様である。また可動板１２の質量とは、反射防止膜２０と反射膜２１の質量を含めたものとする。ベース層１６と駆動板１３との間に交流電圧を加えているので、可動板１２と駆動板１３の変位量は周期的に変化しており、可動板１２の変位量、即ち可動鏡（反射膜２１）の変位量は駆動板１３の変位量の１．５倍程度となっている。
【００２８】
図３（ｂ）は、可動板１２の質量と駆動板１３の質量の比が１：１で、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２の比が１：２であって、交流電圧の周波数が１４０００ヘルツの場合の、可動板１２と駆動板１３の変位量を示した図である。この場合は、可動板１２の変位量は駆動板１３の変位量の２倍程度となっている。このように、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２を適当な値に設定することにより、駆動板１３の変位量に対する可動板１２、即ち可動鏡（反射膜２１）の変位量を大きくすることができる。なお、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２の値を変化させるには、第１の接続部１４及び第２の接続部１５の長さ、太さ、形状、本数などを変化させればよい。この駆動板１３の変位量に対する可動板１２の変位量の増幅率は、バネ定数Ｋ１、バネ定数Ｋ２、可動板１２の質量、駆動板１３の質量及び交流電圧の周波数等から理論的に計算できるが、シミュレーションや実験から求めることとなる。
【００２９】
また、可動板１２と第１の接続部１４及び駆動板１３と第２の接続部１５からなる２自由度の振動系の２つの固有振動数のうち振動数の低い固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように駆動板１３の質量を設定すれば、駆動板１３に対する可動板１２の変位量の増幅率を大きくすることができ、また可動板１２の変位量の絶対量を大きくすることができる。このとき同時に、第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１と可動板１２の質量及び第２の接続部１５のバネ定数Ｋ２を適当な値に設定してもよい。また、この２自由度の振動系の２つの固有振動数のうち振動数の高い固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるようにしても可動板１２の変位量の増幅率を大きくすることができる。このとき、可動板１２、即ち可動鏡（反射膜２１）の振動する周期と交流電圧の周波数に対応する周期とがほぼ等しくなっている。なお、２自由度の振動系の固有振動数と交流電圧の周波数は完全に一致していなくてもよく、固有振動数と交流電圧の周波数が近くなるようにすればよい。
可動板１２と第１の接続部１４及び駆動板１３と第２の接続部１５からなる２自由度の振動系には、可動板１２の変位量が大きく増幅される固有振動数が２つあるが、この２自由度の振動系の固有振動数は理論的にも求められる。このうち振動数の低い固有振動数と交流電圧の周波数がほぼ同じになるようにすれば、駆動板１３に対する可動板１２の変位量の増幅率が特に大きくなり、また可動板１２の変位量の絶対量を大きくすることができる。
【００３０】
このように、第１の接続部１４のバネ定数と可動板１２の質量及び第２の接続部１５のバネ定数と駆動板１３の質量を適当に設定することにより、駆動板１３の変位量よりも可動板１２の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。また、駆動板１３は小さい変位でよいため、駆動板１３とベース層１６とのギャップ（距離）を小さくすることができる。
また、可動板１２と第１の接続部１４及び駆動板１３と第２の接続部１５からなる２自由度の振動系の固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように駆動板１３の質量を設定すれば、駆動板１３に対する可動板１２の変位量の増幅率を大きくすることができ、また可動板１２の変位量の絶対量を大きくすることができる。
【００３１】
またベース層１６と駆動板１３との間に交流電圧を加えた場合に、可動板１２と第１の接続部１４からなる振動系の固有振動数が、交流電圧の周波数とほぼ同じになるようにバネ定数Ｋ１を設定すれば、駆動板１３がほとんど変位することなく可動板１２だけを変位させることができる。可動板１２と第１の接続部１４からなる振動系の固有振動数は、理論的には可動板１２の質量とバネ定数Ｋ１から容易に求めることができるが、実際には第１の接続部１４の質量等が無視できないため、実験等によりこのような条件を満たすバネ定数Ｋ１を設定すればよい。なお、このときバネ定数Ｋ２を適切に設定することにより、駆動板１３がほとんど変位することなく可動板１２だけを変位させるようにしてもよい。
この固有振動数は、第１の接続部１４の質量等が無視できる場合には、（バネ定数Ｋ１／可動板１２の質量）の平方根を２πで割ったもので表される。なお、第１の接続部１４の質量等が無視できる理想的な系では駆動板１３の変位量が０でも可動板１２が有限の変位量を持つ。
【００３２】
次に、図１及び図２に示した波長可変光フィルタの製造方法について簡単に説明する。まず所定の厚さのＳＯＩ基板を用意し、表側表面に図２（ａ）に相当する形状をフォトリソグラフィーによりパターニングして、ドライエッチングにより上側のシリコン層の可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８以外の部分のシリコンを除去する。またＳＯＩ基板の裏側表面もフォトリソグラフィーによりパターニングして、ドライエッチングにより開口部１６ａを形成する。そして、そのＳＯＩ基板をフッ酸水溶液に浸し、酸化シリコン層１７だけが残るように酸化シリコンをエッチングする。その後、ＳＯＩ基板を熱酸化して酸化シリコン膜を形成するか又はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により窒化シリコン膜を形成する。最後に、可動板１２に反射防止膜２０と反射膜２１を取り付けてＳＯＩ基板の部分が完成する。
なお、初めからＳＯＩ基板を用いる必要はなく、所定の形状に加工したシリコン基板と酸化シリコン基板を直接接合等で接合して、外周支持部１８より下の部分を作成してもよい。
【００３３】
ガラス基板１９は、所定の大きさのガラス板を用意し、裏側表面にクロムと金を成膜しフォトリソグラフィーによりパターニングした後、金とクロムをエッチングする。その後、クロムと金をマスクとしてフッ酸水溶液等でガラスをエッチングすることにより凹部２２を形成する。そして、反射膜２３と反射防止膜２４を取り付けることによりガラス基板１９が完成する。
以上の工程で出来上がったガラス基板１９とＳＯＩ基板の部分を陽極接合等により接合することにより波長可変光フィルタが完成する。
なお本実施形態１では、波長可変光フィルタの下部をＳＯＩ基板から形成しているが、可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８の部分をシリコン基板から形成し、その下の部分をホウ珪酸ガラスで形成することもできる。
【００３４】
本実施形態１では、可動鏡が取り付けられる可動板１２と駆動板１３を別々に設け、可動板１２と駆動板１３を弾性を有する第１の接続部１４によって接続することにより、駆動板１３の変位量よりも可動板１２の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。さらに、駆動板１３の質量を適当な値に設定することにより、可動板１２の変位量の増幅率を調節することができる。また、可動板１２と第１の接続部１４からなる振動系の固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１を設定することにより、駆動板１３が微小に変位するだけで可動板１２が大きく変位することとなる。
【００３５】
また本実施形態１では、駆動板１３の中央部に開口部１３ａが設けられ可動板１２がその開口部１３ａに設けられていることと、第１の接続部１４及び第２の接続部１５が複数の梁から構成されていることにより、可動板１２は安定した平行状態を保って変位することができる。さらに、酸化シリコン又は窒化シリコンからなる絶縁膜２５が設けられているため駆動板１３とベース層１６がショートすることがない。また、可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４及び第２の接続部１５を、ＳＯＩ基板のシリコン層から一体成形するため、容易に波長可変光フィルタを製造することができる。
【００３６】
実施形態２．
本実施形態２では、図１及び図２に示す波長可変光フィルタをパルス電圧等によって駆動する場合に、可動板１２が所望の位置より行き過ぎてしまう、いわゆるオーバーシュートを抑制することのできる波長可変光フィルタを提案する。本実施形態２の目的は、光の波長の選択に関わる可動板１２のオーバーシュートを低減することである。
なお本実施形態２に係る波長可変光フィルタの構造は、図１及び図２に示す波長可変フィルタと同様であり、可動板１２の質量、駆動板１３の質量、第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１、第２の接続部１５のバネ定数Ｋ２のみが異なるものである。また、作用、製造方法等も図１及び図２に示す実施形態１の波長可変光フィルタと同様であり、同一の符号を用いて説明する。
【００３７】
図４は、ベース層１６と駆動板１３との間に加えるパルス電圧の波形を示した図である。なお、このパルス電圧の水平部分の持続時間は十分長いものとし、２値のパルス電圧と見なせるものとする。
図５は、図４に示すパルス電圧が印加されたときの駆動板１３の変位量を示した図である。本来、図５のグラフの水平な直線の位置まで変位するのが望ましいのであるが、電圧が変わるときに瞬間的に強い力が働くため駆動板１３が水平な直線の位置を越えてオーバーシュートしているのが分かる。
【００３８】
図６は、ベース層１６と駆動板１３との間に加えるパルス電圧が変化する前後の、可動板１２と駆動板１３の変位量の拡大図である。なお、図６において使用される波長可変光フィルタは、可動板１２の質量と駆動板１３の質量の比が１：１で、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２の比が１：４０のものである。このような条件では、駆動板１３の変位量（オーバーシュート量）に対して可動板１２の変位量（オーバーシュート量）が低減されており、可動板１２の変位量、即ち可動鏡（反射膜２１）の変位量が小さくなっていることが分かる。なお一般的に、可動板１２の変位量（オーバーシュート量）を小さくするためには、可動板１２の質量、駆動板１３の質量、バネ定数Ｋ１及びバネ定数Ｋ２を考慮して解析する必要があり、更に実際の波長可変光フィルタでは空気抵抗等を考慮して設計しなければならない。しかし、可動板１２の質量と駆動板１３の質量が比較的近い場合には、バネ定数Ｋ１をバネ定数Ｋ２の数十分の一程度にすることで、可動板１２の変位量（オーバーシュート量）が低減できることが実験的に分かっている。
【００３９】
本実施形態２では、駆動板１３とベース層１６との間に加えられる電圧がパルス電圧等であるときに、可動板１２と駆動板１３を接続する第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１を、駆動板１３と外周支持部１８を接続する第２の接続部１５のバネ定数Ｋ２よりも小さい適当な値に設定することで、駆動板１３のオーバーシュート量よりも可動板１２のオーバーシュート量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る波長可変光フィルタを示す縦断面図。
【図２】図１に示す波長可変光フィルタの下部の横断面図及び縦断面図。
【図３】交流電圧を加えた場合の可動板と駆動板の変位量を示した図。
【図４】実施形態２のパルス電圧の波形を示した図。
【図５】パルス電圧が印加されたときの駆動板の変位量を示した図。
【図６】パルス電圧が変化する前後の可動板と駆動板の変位量の拡大図。
【図７】従来の波長可変光フィルタの例を示す部分断面図。
【符号の説明】
１ 可動板、２ 外周部、３ バネ部、４ 絶縁部、５ 電極部、１１ フィルタ本体、１２ 可動板、１３ 駆動板、１３ａ 開口部、１４ 第１の接続部、１５ 第２の接続部、１６ ベース層、１６ａ 開口部、１７ 酸化シリコン層、１８ 外周支持部、１８ａ 開口部、１９ ガラス基板、２０ 反射防止膜、２１ 反射膜、２２ 凹部、２３ 反射膜、２４ 反射防止膜、２５ 絶縁膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用した静電駆動方式の波長可変光フィルタに関し、特に、低電圧で駆動することができる波長可変光フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来からＷＤＭ光通信網（波長分割多重化光通信網）に使用されている静電駆動方式の波長可変光フィルタの例を示す部分断面図である。図７（ａ）は可動鏡が取り付けられる可動板１と、可動板１を外周部２と接続するバネ部３を示した横断面図であり、図７（ｂ）は可動板１及び外周部２と、その下側に設けられる絶縁部４及び電極部５を示した縦断面図である。可動板１の上側表面には可動鏡（図示せず）が取り付けられており、可動板１は電極部５との間に周期的な電圧が印加され、静電力が与えられるようになっている。このため可動板１は、弾性を有するバネ部３の力と静電力との釣り合いが保たれるよう上下方向に周期運動をすることとなる。なお図７に示す波長可変光フィルタは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用したものであるが、この原理については後に詳述する。
【０００３】
また従来の静電駆動方式の波長可変ファブリ・ペローフィルタでは、図７のバネ部３に相当する部分を螺旋状に湾曲させて、ヒンジ（バネ部）の柔軟性を向上させ、メンブレン（可動板）がスムーズに変位するようにしたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６３４１０３９号明細書（図３．Ａ〜Ｆ）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の静電駆動方式の波長可変光フィルタでは（図７参照）、可動板１の変位量を大きくするために可動板１と電極部５との距離を大きく取ると、静電力は可動板１と電極部５との距離の２乗に反比例するため、印加する電圧を大きくしなければならないという問題点があった。また、印加する電圧を低く抑えるため可動板１と電極部５の距離を小さくすると、可動板１が下方向に変位した際に電極部５とぶつかるため変位量が制限され、低電圧駆動と大変位量の両立が困難であるという問題点があった。
さらに、可動板１と電極部５との間にパルス電圧等の変化の急激な電圧を印加すると、可動板１が所望の位置より行き過ぎてしまうという、いわゆるオーバーシュートの問題点もあった。
【０００６】
また従来の静電駆動方式の波長可変ファブリ・ペローフィルタでは（例えば、特許文献１参照）、図７に示す波長可変光フィルタと同様に、低電圧駆動と、メンブレン（可動板）の変位量の増大の両立が困難であるという問題点があった。
また、メンブレン（可動板）のオーバーシュートの問題点もあった。
【０００７】
本発明は、低電圧で可動板を駆動することができ、また可動板の変位量を大きくすることのできる波長可変光フィルタを提供することを目的とする。また、パルス電圧等の変化の急激な電圧を印加したときに、可動板のオーバーシュートを抑制することのできる波長可変光フィルタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長可変光フィルタは、固定鏡と、該固定鏡に対向配置される可動鏡と、該可動鏡を駆動させる駆動板と、該駆動板を保持する外周支持部とがベース層の上に設けられ、駆動板に設けられた電極と、ベース層に設けられた電極間に電圧を加えることにより、可動鏡が変位する波長可変光フィルタであって、可動鏡と外周支持部との間に１つ以上の駆動板を設け、駆動板が静電力により変位するものである。
光を反射する可動鏡と駆動板を別々に設け、可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板と駆動板を弾性を有する接続部によって接続することにより、駆動板の変位量よりも可動鏡の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。さらに以下に示すように、可動鏡又は可動板と駆動鏡を接続する接続部のバネ定数及び駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数を適当な値に設定することにより、可動鏡の変位量の増幅率を調節したり、パルス電圧が印加された際にオーバーシュートを抑制したりすることができる。
【０００９】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の駆動板が開口部を有し、可動鏡は駆動板の開口部に設けられているものである。
駆動板の中央部に開口部が設けられ、可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板がその開口部に設けられていることにより、可動鏡が安定した平行状態を保って変位することができる。また、このような構造の駆動板及び可動鏡を有する波長可変光フィルタを容易に作成することができる。
【００１０】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動鏡が取付けられる可動板を有し、該可動板及び駆動板が、ＳＯＩ基板からなるものである。
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、絶縁体上シリコン）基板から可動板及び駆動板を容易に作成することができ、また絶縁層が予め形成されているため、図７に示すような外周部２と電極部５の間の絶縁部４を別部材として形成する必要がない。
【００１１】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の可動鏡が取付けられる可動板を有し、該可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部が、同一部材で構成されているものである。
可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部を、ＳＯＩ基板等の同一部材からエッチングにより一体成形することにより、正確なパターンの、可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部を容易に形成することができる。
【００１２】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動鏡の変位する量が、駆動板の駆動により変位する量よりも大きくなるものである。
可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板の質量、駆動板の質量と、可動板、駆動板、外周支持部をそれぞれ接続する接続部のバネ定数を適当に設定することにより、駆動板の変位量よりも可動鏡の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。
【００１３】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板が変位する量よりも、可動鏡の変位する量が小さくなるものである。
駆動板とベース層との間にパルス電圧等を印加すると、上述のように駆動板がオーバーシュートしてしまうが、可動鏡又は可動鏡の取付けられる可動板と駆動板を接続する接続部のバネ定数を、駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数よりも小さい適当な値に設定すれば、駆動板のオーバーシュート量よりも可動鏡又は可動板のオーバーシュート量を低減することができる。オーバシュート量を低減できる可動鏡又は可動板と駆動板を接続する接続部のバネ定数と駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数の比は、理論的な計算によりおおまかな値が求められるが、最終的には実験等から定められる。なお、可動鏡又は可動板と駆動板を接続する接続部のバネ定数と駆動板と外周支持部を接続する接続部のバネ定数の比の具体的な値については後に述べる。
【００１４】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板に設けられた電極と、ベース層に設けられた電極間に加える電圧が交流電圧である場合に、可動鏡の振動する周期と交流電圧の周波数に対応する周期とが同じになるように、駆動板で質量の設定をするものである。
可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板、駆動板、外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部からなる２自由度の振動系には、可動鏡の変位量が大きく増幅される固有振動数が２つあるが、これらの固有振動数と交流電圧の周波数が同じになるように駆動板の質量を設定すれば、駆動板に対する可動鏡の変位量の増幅率が大きくなり、また可動鏡の変位量の絶対量を大きくすることができる。このとき、可動鏡の振動する周期と交流電圧の周波数に対応する周期とが同じになる。
【００１５】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動鏡が振動する周期と電圧の周波数に対応する周期とが同じになるように、可動板、駆動板及び外周支持部をそれぞれ接続する接続部のバネ定数の設定をするものである。
可動鏡又は可動鏡が取付けられる可動板と上記の接続部からなる振動系の固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように接続部のバネ定数と可動鏡又は可動板の質量を設定することにより、駆動板が微小に変位するだけで可動鏡又は可動板が大きく変位することとなる。なお、可動鏡又は可動板と上記の接続部からなる振動系の固有振動数は、理論的には可動鏡又は可動板の質量と、可動鏡又は可動板と駆動部を接続する接続部のバネ定数から求められるが、この接続部の質量等も考慮しなければならないため、最終的にはシミュレーションや実験値等から求められる。
【００１６】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板及びベース層の少なくとも一方に絶縁膜を備えたものである。
駆動板とベース層との間には電圧が加えられるため、駆動板が変位した際にベース層側と接触するとショートしてしまうこととなる。このため、駆動板とベース層を絶縁するための絶縁膜を設けたものである。
【００１７】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の絶縁膜が、酸化シリコン又は窒化シリコンからなるものである。
駆動板とベース層を絶縁するための絶縁膜が酸化シリコン又は窒化シリコンからなるため、熱酸化又はＣＶＤにより容易にこの絶縁膜を形成することができる。
【００１８】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、可動板と駆動板を接続する接続部が、複数の梁からなるものである。
可動鏡と駆動板を接続する接続部が複数の梁から構成されているため、可動鏡は安定した平行状態を保って変位することができる。また、この接続部のバネ定数の設定も容易となる。
【００１９】
また本発明に係る波長可変光フィルタは、駆動板と外周支持部を接続する接続部が、複数の梁からなるものである。
駆動板と外周支持部を接続する接続部が複数の梁から構成されているため、駆動板及び可動鏡は安定した平行状態を保って変位することができる。また、このの接続部のバネ定数の設定も容易となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係る波長可変光フィルタを示す縦断面図であり、図２は、図１に示す波長可変光フィルタの下部の横断面図及び縦断面図である。本実施形態１に係る波長可変光フィルタは外枠がフィルタ本体１１となっており、フィルタ本体１１以外は可動板１２、駆動板１３、可動板１２と駆動板１３を接続する第１の接続部１４（図１において図示せず、図２（ａ）参照）、駆動板１３と外周支持部１８を接続する第２の接続部１５（図１において図示せず、図２（ａ）参照）からなっている。なお図２（ａ）に示すように、駆動板１３の中央部には開口部１３ａが設けられており、開口部１３ａの内部に第１の接続部１４を介して可動板１２が設けられる構造となっている。また、駆動板１３の周囲は開口部１８ａとなっている。
【００２１】
図２（ａ）では、第１の接続部１４となる梁が４本と、第２の接続部１５となる梁が４本設けられたものを示しているが、これと異なる本数であってもよい。ただし、第１の接続部１４の梁及び第２の接続部１５の梁が１本ずつであると、後に示すように可動板１２と駆動板１３が変位する際に平行状態を保てず不安定になるため、２本以上ずつ設けるのが望ましい。ここでは、内側の４本の梁をまとめたものを第１の接続部１４と呼んでおり、外側の４本の梁をまとめたものを第２の接続部１５と呼んでいる。
また図２（ａ）では、可動板１２が円板状であって、駆動板１３が可動板１２を囲むリング状に形成されているが、可動板１２を多角形状にするなどして、駆動板１３を可動板１２の周りを取り囲むような形状にしてもよい。また、駆動板１３の周りを囲むように２以上の駆動板を設けるようにしてもよい。
【００２２】
図１に示すようにフィルタ本体１１は、シリコンからなるベース層１６、酸化シリコンからなる酸化シリコン層１７、シリコンからなる外周支持部１８及びホウ珪酸ガラスからなるガラス基板１９から形成されている。ここで、ベース層１６、酸化シリコン層１７及び外周支持部１８はＳＯＩ基板から形成されており、また可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８は、このＳＯＩ基板の上側のシリコン層から一体成形されている。ベース層１６には、可動板１２より若干広い開口部１６ａが形成されており、可動板１２が大きく変位できるようになっている。また開口部１６ａは、光の入射口としても機能する。酸化シリコン層１７は、絶縁層として機能している。
なお、可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８はそれぞれ別部材で形成してもよく、シリコン以外のもので形成してもよい。また、ベース層１６、酸化シリコン層１７をガラス基板等で形成し、別途電極を設けるようにすることもできる。さらに、可動板１２を設けることなく、可動鏡として機能する反射膜等を第１の接続部１４に直接接続してもよい。
【００２３】
可動板１２の下面には、酸化シリコン等の多層膜からなる反射防止膜２０が形成されており、可動板１２の上面には酸化シリコン、窒化シリコン等の多層膜からなる反射膜２１が形成されている。この反射膜２１は、可動鏡として機能するものであり９８％程度の高反射率を有している。またガラス基板１９の、外周支持部１８との接合面側には凹部２２が設けられており、凹部２２の上面に反射膜２１と対向配置されるように反射膜２３が設けられている。この反射膜２３は固定鏡として機能するものであり、９８％程度の高反射率を有し、反射膜２１と平行になるように形成されている。さらにガラス基板１９の上面には、反射防止膜２４が形成されており、駆動板１３の下面及びベース層１６の上面には酸化シリコン又は窒化シリコンからなる絶縁膜２５が形成されている。
【００２４】
図１及び図２に示す波長可変光フィルタは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用したものであり、ＷＤＭ光通信網等において光ファイバーに入射されている各波長の光のモニターや分光などに使用されるものである。
この波長可変光フィルタの作用について説明する。ベース層１６と駆動板１３との間には電圧が加えられている。この電圧は、例えば６０ヘルツの交流電圧や矩形電圧（パルス電圧）であって、駆動板１３には外周支持部１８及び第２の接続部１５を介して供給されるようになっている。この電圧による電位差のため、ベース層１６と駆動板１３との間に静電力が発生し、駆動板１３がベース層１６側に変位する。このとき、第２の接続部１５が弾性を有しているため、駆動板１３は弾性的に変位する。また、弾性を有する第１の接続部１４で駆動板１３と接続されている可動板１２も、駆動板１３が変位するのに伴って変位することとなり、可動板１２に取付けられた可動鏡（反射膜２１）が変位する。このとき可動板１２は、反射膜２１が反射膜２３と平行状態を保つように変位する。
【００２５】
この波長可変光フィルタに、光がフィルタ本体１１の下側（図１の矢印参照）から入射し、開口部１６ａから内部に向かう。この光は反射防止膜２０によりほとんど反射されずに、反射膜２１と反射膜２３の間の空間に入る。この際、光がシリコンからなる可動板１２を通過するが、ＷＤＭ通信網等で使用される光の波長は１５５０ｎｍ付近であるため、光はシリコンを透過する。反射膜２１と反射膜２３の間の空間に入った光は、反射膜２３と反射膜２１の間で反射を繰り返し、最終的に反射膜２３を透過してフィルタ本体１１の上側（図１の矢印参照）から出射する。このとき、ガラス基板１９の上面に反射防止膜２４が形成されているため、光がガラス基板１９と空気の界面でほとんど反射せずに出射する。
【００２６】
上記の反射膜２３（固定鏡）と反射膜２１（可動鏡）の間で光が反射を繰り返す過程において、反射膜２３と反射膜２１の距離に対応する干渉条件を満たさない波長の光は急激に減衰し、この干渉条件を満たした波長の光のみが残って最終的に出射する。これがファブリ・ペロー干渉計の原理であり、この干渉条件を満たした波長の光が透過することとなる。可動板１２は駆動板１３の変位に伴って変位し、反射膜２３と反射膜２１の距離が変わるため、透過する光の波長を選択することが可能である。
【００２７】
図３は、ベース層１６と駆動板１３との間に交流電圧を加えた場合の、可動板１２と駆動板１３の変位量を示した図である。図３（ａ）は、可動板１２の質量と駆動板１３の質量の比が１：１で、第１の接続部１４のバネ定数（以下、バネ定数Ｋ１という）と第２の接続部１５のバネ定数（以下、バネ定数Ｋ２という）の比が１：１であって、交流電圧の周波数が１６０００ヘルツの場合を示している。なお第１の接続部１４のバネ定数とは、第１の接続部１４が複数の梁からなる場合はそれらをすべて合わせたバネ定数をいい、第２の接続部１５についても同様である。また可動板１２の質量とは、反射防止膜２０と反射膜２１の質量を含めたものとする。ベース層１６と駆動板１３との間に交流電圧を加えているので、可動板１２と駆動板１３の変位量は周期的に変化しており、可動板１２の変位量、即ち可動鏡（反射膜２１）の変位量は駆動板１３の変位量の１．５倍程度となっている。
【００２８】
図３（ｂ）は、可動板１２の質量と駆動板１３の質量の比が１：１で、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２の比が１：２であって、交流電圧の周波数が１４０００ヘルツの場合の、可動板１２と駆動板１３の変位量を示した図である。この場合は、可動板１２の変位量は駆動板１３の変位量の２倍程度となっている。このように、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２を適当な値に設定することにより、駆動板１３の変位量に対する可動板１２、即ち可動鏡（反射膜２１）の変位量を大きくすることができる。なお、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２の値を変化させるには、第１の接続部１４及び第２の接続部１５の長さ、太さ、形状、本数などを変化させればよい。この駆動板１３の変位量に対する可動板１２の変位量の増幅率は、バネ定数Ｋ１、バネ定数Ｋ２、可動板１２の質量、駆動板１３の質量及び交流電圧の周波数等から理論的に計算できるが、シミュレーションや実験から求めることとなる。
【００２９】
また、可動板１２と第１の接続部１４及び駆動板１３と第２の接続部１５からなる２自由度の振動系の２つの固有振動数のうち振動数の低い固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように駆動板１３の質量を設定すれば、駆動板１３に対する可動板１２の変位量の増幅率を大きくすることができ、また可動板１２の変位量の絶対量を大きくすることができる。このとき同時に、第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１と可動板１２の質量及び第２の接続部１５のバネ定数Ｋ２を適当な値に設定してもよい。また、この２自由度の振動系の２つの固有振動数のうち振動数の高い固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるようにしても可動板１２の変位量の増幅率を大きくすることができる。このとき、可動板１２、即ち可動鏡（反射膜２１）の振動する周期と交流電圧の周波数に対応する周期とがほぼ等しくなっている。なお、２自由度の振動系の固有振動数と交流電圧の周波数は完全に一致していなくてもよく、固有振動数と交流電圧の周波数が近くなるようにすればよい。
可動板１２と第１の接続部１４及び駆動板１３と第２の接続部１５からなる２自由度の振動系には、可動板１２の変位量が大きく増幅される固有振動数が２つあるが、この２自由度の振動系の固有振動数は理論的にも求められる。このうち振動数の低い固有振動数と交流電圧の周波数がほぼ同じになるようにすれば、駆動板１３に対する可動板１２の変位量の増幅率が特に大きくなり、また可動板１２の変位量の絶対量を大きくすることができる。
【００３０】
このように、第１の接続部１４のバネ定数と可動板１２の質量及び第２の接続部１５のバネ定数と駆動板１３の質量を適当に設定することにより、駆動板１３の変位量よりも可動板１２の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。また、駆動板１３は小さい変位でよいため、駆動板１３とベース層１６とのギャップ（距離）を小さくすることができる。
また、可動板１２と第１の接続部１４及び駆動板１３と第２の接続部１５からなる２自由度の振動系の固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように駆動板１３の質量を設定すれば、駆動板１３に対する可動板１２の変位量の増幅率を大きくすることができ、また可動板１２の変位量の絶対量を大きくすることができる。
【００３１】
またベース層１６と駆動板１３との間に交流電圧を加えた場合に、可動板１２と第１の接続部１４からなる振動系の固有振動数が、交流電圧の周波数とほぼ同じになるようにバネ定数Ｋ１を設定すれば、駆動板１３がほとんど変位することなく可動板１２だけを変位させることができる。可動板１２と第１の接続部１４からなる振動系の固有振動数は、理論的には可動板１２の質量とバネ定数Ｋ１から容易に求めることができるが、実際には第１の接続部１４の質量等が無視できないため、実験等によりこのような条件を満たすバネ定数Ｋ１を設定すればよい。なお、このときバネ定数Ｋ２を適切に設定することにより、駆動板１３がほとんど変位することなく可動板１２だけを変位させるようにしてもよい。
この固有振動数は、第１の接続部１４の質量等が無視できる場合には、（バネ定数Ｋ１／可動板１２の質量）の平方根を２πで割ったもので表される。なお、第１の接続部１４の質量等が無視できる理想的な系では駆動板１３の変位量が０でも可動板１２が有限の変位量を持つ。
【００３２】
次に、図１及び図２に示した波長可変光フィルタの製造方法について簡単に説明する。まず所定の厚さのＳＯＩ基板を用意し、表側表面に図２（ａ）に相当する形状をフォトリソグラフィーによりパターニングして、ドライエッチングにより上側のシリコン層の可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８以外の部分のシリコンを除去する。またＳＯＩ基板の裏側表面もフォトリソグラフィーによりパターニングして、ドライエッチングにより開口部１６ａを形成する。そして、そのＳＯＩ基板をフッ酸水溶液に浸し、酸化シリコン層１７だけが残るように酸化シリコンをエッチングする。その後、ＳＯＩ基板を熱酸化して酸化シリコン膜を形成するか又はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により窒化シリコン膜を形成する。最後に、可動板１２に反射防止膜２０と反射膜２１を取り付けてＳＯＩ基板の部分が完成する。
なお、初めからＳＯＩ基板を用いる必要はなく、所定の形状に加工したシリコン基板と酸化シリコン基板を直接接合等で接合して、外周支持部１８より下の部分を作成してもよい。
【００３３】
ガラス基板１９は、所定の大きさのガラス板を用意し、裏側表面にクロムと金を成膜しフォトリソグラフィーによりパターニングした後、金とクロムをエッチングする。その後、クロムと金をマスクとしてフッ酸水溶液等でガラスをエッチングすることにより凹部２２を形成する。そして、反射膜２３と反射防止膜２４を取り付けることによりガラス基板１９が完成する。
以上の工程で出来上がったガラス基板１９とＳＯＩ基板の部分を陽極接合等により接合することにより波長可変光フィルタが完成する。
なお本実施形態１では、波長可変光フィルタの下部をＳＯＩ基板から形成しているが、可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４、第２の接続部１５及び外周支持部１８の部分をシリコン基板から形成し、その下の部分をホウ珪酸ガラスで形成することもできる。
【００３４】
本実施形態１では、可動鏡が取り付けられる可動板１２と駆動板１３を別々に設け、可動板１２と駆動板１３を弾性を有する第１の接続部１４によって接続することにより、駆動板１３の変位量よりも可動板１２の変位量を増幅させることができ、低電圧で大変位量の波長可変光フィルタを実現することができる。さらに、駆動板１３の質量を適当な値に設定することにより、可動板１２の変位量の増幅率を調節することができる。また、可動板１２と第１の接続部１４からなる振動系の固有振動数が交流電圧の周波数とほぼ同じになるように第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１を設定することにより、駆動板１３が微小に変位するだけで可動板１２が大きく変位することとなる。
【００３５】
また本実施形態１では、駆動板１３の中央部に開口部１３ａが設けられ可動板１２がその開口部１３ａに設けられていることと、第１の接続部１４及び第２の接続部１５が複数の梁から構成されていることにより、可動板１２は安定した平行状態を保って変位することができる。さらに、酸化シリコン又は窒化シリコンからなる絶縁膜２５が設けられているため駆動板１３とベース層１６がショートすることがない。また、可動板１２、駆動板１３、第１の接続部１４及び第２の接続部１５を、ＳＯＩ基板のシリコン層から一体成形するため、容易に波長可変光フィルタを製造することができる。
【００３６】
実施形態２．
本実施形態２では、図１及び図２に示す波長可変光フィルタをパルス電圧等によって駆動する場合に、可動板１２が所望の位置より行き過ぎてしまう、いわゆるオーバーシュートを抑制することのできる波長可変光フィルタを提案する。本実施形態２の目的は、光の波長の選択に関わる可動板１２のオーバーシュートを低減することである。
なお本実施形態２に係る波長可変光フィルタの構造は、図１及び図２に示す波長可変フィルタと同様であり、可動板１２の質量、駆動板１３の質量、第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１、第２の接続部１５のバネ定数Ｋ２のみが異なるものである。また、作用、製造方法等も図１及び図２に示す実施形態１の波長可変光フィルタと同様であり、同一の符号を用いて説明する。
【００３７】
図４は、ベース層１６と駆動板１３との間に加えるパルス電圧の波形を示した図である。なお、このパルス電圧の水平部分の持続時間は十分長いものとし、２値のパルス電圧と見なせるものとする。
図５は、図４に示すパルス電圧が印加されたときの駆動板１３の変位量を示した図である。本来、図５のグラフの水平な直線の位置まで変位するのが望ましいのであるが、電圧が変わるときに瞬間的に強い力が働くため駆動板１３が水平な直線の位置を越えてオーバーシュートしているのが分かる。
【００３８】
図６は、ベース層１６と駆動板１３との間に加えるパルス電圧が変化する前後の、可動板１２と駆動板１３の変位量の拡大図である。なお、図６において使用される波長可変光フィルタは、可動板１２の質量と駆動板１３の質量の比が１：１で、バネ定数Ｋ１とバネ定数Ｋ２の比が１：４０のものである。このような条件では、駆動板１３の変位量（オーバーシュート量）に対して可動板１２の変位量（オーバーシュート量）が低減されており、可動板１２の変位量、即ち可動鏡（反射膜２１）の変位量が小さくなっていることが分かる。なお一般的に、可動板１２の変位量（オーバーシュート量）を小さくするためには、可動板１２の質量、駆動板１３の質量、バネ定数Ｋ１及びバネ定数Ｋ２を考慮して解析する必要があり、更に実際の波長可変光フィルタでは空気抵抗等を考慮して設計しなければならない。しかし、可動板１２の質量と駆動板１３の質量が比較的近い場合には、バネ定数Ｋ１をバネ定数Ｋ２の数十分の一程度にすることで、可動板１２の変位量（オーバーシュート量）が低減できることが実験的に分かっている。
【００３９】
本実施形態２では、駆動板１３とベース層１６との間に加えられる電圧がパルス電圧等であるときに、可動板１２と駆動板１３を接続する第１の接続部１４のバネ定数Ｋ１を、駆動板１３と外周支持部１８を接続する第２の接続部１５のバネ定数Ｋ２よりも小さい適当な値に設定することで、駆動板１３のオーバーシュート量よりも可動板１２のオーバーシュート量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る波長可変光フィルタを示す縦断面図。
【図２】図１に示す波長可変光フィルタの下部の横断面図及び縦断面図。
【図３】交流電圧を加えた場合の可動板と駆動板の変位量を示した図。
【図４】実施形態２のパルス電圧の波形を示した図。
【図５】パルス電圧が印加されたときの駆動板の変位量を示した図。
【図６】パルス電圧が変化する前後の可動板と駆動板の変位量の拡大図。
【図７】従来の波長可変光フィルタの例を示す部分断面図。
【符号の説明】
１ 可動板、２ 外周部、３ バネ部、４ 絶縁部、５ 電極部、１１ フィルタ本体、１２ 可動板、１３ 駆動板、１３ａ 開口部、１４ 第１の接続部、１５ 第２の接続部、１６ ベース層、１６ａ 開口部、１７ 酸化シリコン層、１８ 外周支持部、１８ａ 開口部、１９ ガラス基板、２０ 反射防止膜、２１ 反射膜、２２ 凹部、２３ 反射膜、２４ 反射防止膜、２５ 絶縁膜。
Claims (12)
- 固定鏡と、該固定鏡に対向配置される可動鏡と、該可動鏡を駆動させる駆動板と、該駆動板を保持する外周支持部とがベース層の上に設けられ、前記駆動板に設けられた電極と、前記ベース層に設けられた電極間に電圧を加えることにより、前記可動鏡が変位する波長可変光フィルタであって、
前記可動鏡と前記外周支持部との間に１つ以上の前記駆動板を設け、前記駆動板が静電力により変位することを特徴とする波長可変光フィルタ。 - 前記駆動板は開口部を有し、前記可動鏡は前記駆動板の開口部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の波長可変光フィルタ。
- 前記可動鏡が取付けられる可動板を有し、該可動板及び前記駆動板が、ＳＯＩ基板からなることを特徴とする請求項１又は２記載の波長可変光フィルタ。
- 前記可動鏡が取付けられる可動板を有し、該可動板、前記駆動板、前記外周支持部及びそれらをそれぞれ接続する接続部が、同一部材で構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の波長可変光フィルタ。
- 前記可動鏡の変位する量が、前記駆動板の駆動により変位する量よりも大きくなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長可変光フィルタ。
- 前記駆動板が変位する量よりも、前記可動鏡の変位する量が小さくなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長可変光フィルタ。
- 前記駆動板に設けられた電極と、前記ベース層に設けられた電極間に加える電圧が交流電圧である場合に、前記可動鏡の振動する周期と前記交流電圧の周波数に対応する周期とが同じになるように、前記駆動板で質量の設定をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長可変光フィルタ。
- 前記可動鏡が振動する周期と前記電圧の周波数に対応する周期とが同じになるように、前記可動板、前記駆動板及び前記外周支持部をそれぞれ接続する接続部のバネ定数の設定をすることを特徴とする請求項３又は４記載の波長可変光フィルタ。
- 前記駆動板及び前記ベース層の少なくとも一方に絶縁膜を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長可変光フィルタ。
- 前記絶縁膜が、酸化シリコン又は窒化シリコンからなることを特徴とする請求項９記載の波長可変光フィルタ。
- 前記可動板と前記駆動板を接続する接続部が、複数の梁からなることを特徴とする請求項３又は４記載の波長可変光フィルタ。
- 前記駆動板と前記外周支持部を接続する接続部が、複数の梁からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の波長可変光フィルタ。
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