JP2013504066A5 - - Google Patents

Description

B(σ)は負の周波数を含むよう拡張することができるので、実の物理的スペクトラムを想定すると、B(σ)= B(-σ) となる。こうして、分散のないMEMSベースの分光計では、出力信号は次の式で表すことができる。

しかし、分光計が分散効果を受けると、スペクトルは複雑なフーリエ変換だけから得ることになる。ψ(σ)= - ψ(-σ)であるならば、B(σ)ejψ(σ) はI(χ)の複雑なフーリエ変換であり、次の式で表される。

こうしてスペクトルは、（２サイドの）サインおよびコサイン積分の二乗の和の平方根で与えられる。

ここで、Jr(σ)およびJi(σ)はJ(σ)の実部および虚部である。しかし、そのような技術は、ミラーを正および負の方向に動かすことを必要とし、これは、所与の解像度を得るためにはフーリエ変換が倍にされねばならないことを意味する。この問題を示すため、図２Ａが分散なしのマイケルソン干渉計の干渉を示し、図２Ｂが分散ありのマイケルソン干渉計の干渉を示す。図２Ａおよび２Ｂから、材料分散により干渉が広い光路差（またはミラー変位）にわたることがわかる。

この発明の実施例によると、マイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）分光計/干渉計について均衡した構造が使用され、ミラーおよびビームスプリッタ壁を作るのに使われるＤＲＩＥプロセスにおけるティルト角または垂直性が両アームにおいて補償され、一つのアームにおける分散が第２のアームにおける分散とバランスする。例示的な実施例は幾何的なバランス界面を使い、光干渉計の２つのアームが実質的に同じ垂直性のミラーおよびビームスプリッタを持つことができるようにし、これにより分光計出力に得られる縞の視認性を改善させ、挿入ロスを低減しスループットを増大させ分光計の解像度を改善する。もう一つの例示的実施例では、バランス界面が分光計の２つのアームの間のバランスをとり、一つのアームに存在する波長依存の位相シフトが第２のアームに導入され分光計における分散を補償する。

ビームスプリッタ３０で干渉がはじまり、干渉パターンＬ６が反射ビームＬ３およびＬ５から生成される。干渉パターンＬ６は出力ファイバ溝５０を介して出力され検出平面（検出器）６０によって検出される。一つの実施例では、検出器６０は、光検出器を含み、これは、基板の表面を微細加工する（たとえば、基板の表面をエッチングして光り検出器を配置する開口を実現する）ことによって組み立てられるか、またはドーピング（たとえば、Ｐ―Ｉ―Ｎダイオードを実現するため）または部分的なメタライゼーション（たとえば、金属―半導体―金属 ＭＳＭ光検出器を実現するため）を介して基板内にモノリシック的に実現される。

使用する材料のタイプに拘わらず、２つのビームＬ２/Ｌ３およびＬ４/Ｌ５は第１の媒体４０および第２の媒体４５の両方を通るので、構造の寸法は、２つのビームＬ２/Ｌ３およびＬ４/Ｌ５が媒体（シリコン４０）中で等距離を通るよう調整することができる。これにより、干渉計の機能性において材料（すなわちＳｉ）の分散を実質的に完全に補償することができる。等しく２つの光路に位相誤差が導入されるからである。

たとえば、図４に示すようにミラーＭ１をシリコン４０の表面Ｓ５に形成し、ミラーＭ２をシリコン４０の表面Ｓ４に形成すると、ビームＬ２/Ｌ３はシリコン４０の距離ｄ１（すなわち、ある厚み）を通り、ビームＬ４/Ｌ５はシリコン４０の距離ｄ２（すなわち、ある厚み）を通る。この発明の実施例では、シリコン中のビーム分散を補償するためにｄ１が実質的にｄ２に等しい（すなわち、d1=d2）。こうして、表面Ｓ３/Ｓ２/Ｓ４および表面Ｓ３/Ｓ１/Ｓ５がバランスする界面を形成し、ビームＬ３とＬ５との間のそれぞれの位相誤差における相違を最小にする設計となる。

さらに、誘電体界面からの伝播角が波長に依存することから生じる２つの反射したビームＬ３とＬ５との間の角度を最小にするよう、表面Ｓ１およびＳ２の方向を設計することができる。角度分散は、表面Ｓ１およびＳ２の方向を調整して、動作レンジにおけるすべての波長が２つの反射ビームＬ３とＬ５との間でほぼ同じ角度を持つようにすることにより最小にすることができる。こうして、干渉計スペクトル応答は視認性および挿入ロスの点でよりよい均一性を持つ。

例示的実施例では、シリコン媒体４０の表面Ｓ２は、ビームスプリッタ３０と平行であ
るかまたはある角度を持つことがある。Ｓ２がビームスプリッタ表面Ｓ３と平行であるならば、Ｓ２とビームスプリッタ表面Ｓ３との間のファブリ・ペロー（Fabry-Perot）効果は、ビームスプリッタ３０の表面を入射ビームＬ１の入力スポットのサイズ７０に制限し、ビームスプリッタ表面Ｓ３とＳ２との間の分離を調整して、図５に示すように表面Ｓ２からの反射ビームがビームスプリッタ表面Ｓ３に面しないようにすることにより解消することができる。図５において、表面Ｓ２からの反射ビームＬ７はビームスプリッタ表面Ｓ３に面しないので、ファブリ・ペロー効果は実質的に解消される。

図７は、垂直性および分散問題の部分的な補償をもたらすＭＥＭＳベースの分光計１０のためのもう一つの構造を示す。さらに図７の構造は、表面Ｓ１およびＳ２から生成される挿入ロスを図３Ａおよび３Ｂの構造に比較して低減する。たとえば、図７において、ミラーＭ２のメタライゼーションが取り除かれ、表面Ｓ２が不完全な反射器として使われ（すなわち、シリコン４０と空気４５との間の屈折率の相違を使用し）実効的ミラーＭ２となる。この構造では、２つの厚み（図４に示すｄ１およびｄ２）は、空気伝播に対応する位相シフトを許容するように等しくなくてよく、したがって部分的な分散補償しか生成しない。さらに、２つのミラーＭ１およびＭ２は完全には平行でなく（すなわち、ティルト角が異なる方向を向いている）、不完全なティルト角補償しか生成しない。

Claims (1)

1. 前記バランス界面がそれぞれのビーム伝播方向に垂直ではない通常の調整状態において、一つのバランス界面の平面とビーム伝播のそれぞれの方向との間の角度が、前記第１の反射干渉ビームと前記第２の反射干渉ビームとの間の角度およびその波長依存性を最小にするよう設計されている、請求項１に記載の干渉計。