JP2015125381A - Tunable optical filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所定波長の光線を選択的に透過させる波長可変光フィルタに関する。 The present invention relates to a wavelength tunable optical filter that selectively transmits a light beam having a predetermined wavelength.
従来、この種の波長可変光フィルタとしては、入射光が一対の反射板間で多重反射し、その際の干渉作用により特定波長の光を透過させる技術を利用して、一対の反射板の微小間隔を変位させることにより、透過する光の波長を可変させる構造が知られている。 Conventionally, as this type of wavelength tunable optical filter, incident light is reflected multiple times between a pair of reflecting plates, and a technology that transmits light of a specific wavelength by interference action at that time is used. A structure is known in which the wavelength of transmitted light is varied by changing the interval.
そして、この波長可変光フィルタの利用例としては、中赤外線や遠赤外線を利用してガスの種類を検知するようなマルチガスセンサや、近赤外線を利用して尿糖値や血糖値を検知するような糖センサがあげられる。 As examples of the use of this wavelength tunable optical filter, a multi-gas sensor that detects the type of gas using mid-infrared light or far-infrared light, or a urine sugar level or blood glucose level that uses near-infrared light. A good sugar sensor.
このような波長可変光フィルタにおいて、反射板間の微小間隔を制御する場合、静電気力を利用する静電駆動方式や、圧電材料の逆圧電効果を利用する圧電駆動方式、異種材料の熱膨張係数の差を利用する熱駆動方式等が用いられる。 In such a tunable optical filter, when controlling the minute distance between the reflecting plates, the electrostatic drive method using electrostatic force, the piezoelectric drive method using the inverse piezoelectric effect of piezoelectric material, the thermal expansion coefficient of different materials A thermal drive method using the difference between the two is used.
これらの駆動方式のうち、赤外線領域の波長可変光フィルタを取り扱う場合には、赤外線による温度上昇が発生するために、熱を積極的に利用した熱駆動方式では高精度な制御が困難となる。また、静電駆動方式では、反射板間の微小間隔を初期値より2/3を超えて近付けた場合には、プルイン現象によって微小間隔での制御ができなくなる。理論上、微小間隔の制御範囲と、光フィルタの波長可変領域は相関があるため、プルイン現象による制約は短波長ほど影響が大きいことから、赤外線領域の中でも特に近赤外線領域(波長:700nm〜3μm)に対応した波長可変光フィルタとしては、使用領域が限定される。 Among these driving methods, when a wavelength tunable optical filter in the infrared region is handled, a temperature rise occurs due to infrared rays, so that it is difficult to perform high-precision control with the heat driving method that actively uses heat. Further, in the electrostatic drive system, when the minute interval between the reflecting plates is brought closer than 2/3 from the initial value, control at the minute interval becomes impossible due to the pull-in phenomenon. Theoretically, the control range of the minute interval and the wavelength variable region of the optical filter have a correlation, so that the restriction due to the pull-in phenomenon has a larger influence as the wavelength becomes shorter. As for the wavelength tunable optical filter corresponding to), the use area is limited.
一方、圧電駆動方式では、赤外線による温度上昇は発生するものの、熱駆動方式に比べてその影響は小さく、またプルイン現象による制約も存在しないことから、近赤外線領域を含む広い波長領域に対応可能な波長可変光フィルタに適している。 On the other hand, although the temperature rise due to infrared rays occurs in the piezoelectric drive method, the influence is small compared to the heat drive method, and there is no restriction due to the pull-in phenomenon, so it can cope with a wide wavelength region including the near infrared region. Suitable for tunable optical filters.
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
As prior art document information related to the invention of this application, for example,
しかしながら、波長可変光フィルタにおいて検出波長を短波長側へ広域化することに伴って、一対の反射板の間隔が微小化するため、反射板の間での多重反射における干渉作用を利用する波長可変光フィルタにおいては、一対の反射板の変位幅を広げるとともにこれらの平行度をより高い精度で保つことがフィルタ特性を得るために重要な課題となる。 However, as the detection wavelength in the wavelength tunable optical filter is widened to the short wavelength side, the distance between the pair of reflectors becomes smaller, so the wavelength tunable optical filter that uses the interference effect in multiple reflection between the reflectors In order to obtain filter characteristics, it is important to widen the displacement width of the pair of reflectors and to maintain the parallelism with higher accuracy.
そこで、本発明はこのような課題を解決し、波長可変光フィルタのフィルタ特性を向上させることを目的とする。 Therefore, the present invention aims to solve such problems and improve the filter characteristics of the wavelength tunable optical filter.
そして、この目的を達成するために本発明は、枠体と、この枠体の内側に支持された第1の反射板と、枠体の内側に梁を介して支持された第2の反射板と、梁に設けられた圧電体からなる駆動層を備えた波長可変光フィルタにおいて、第2の反射板を梁における第1の反射板の側で支持した構成としたのである。 In order to achieve this object, the present invention provides a frame, a first reflector supported on the inside of the frame, and a second reflector supported on the inside of the frame via a beam. In the wavelength tunable optical filter having a driving layer made of a piezoelectric body provided on the beam, the second reflecting plate is supported on the first reflecting plate side of the beam.
この構成により、波長可変光フィルタのフィルタ特性を向上させることが出来るのである。 With this configuration, the filter characteristics of the wavelength tunable optical filter can be improved.
以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。図1は波長可変光フィルタ1の斜視図であり、図2はその断面図である。この波長可変光フィルタ1の基本的な構造は、対向配置された2つの反射板2,3の外周部を枠体4で支持した構造である。なお、下側の反射板2は、枠体4に直接支持されるが、上側の反射板3は、外周部分を等間隔に配置した4つの梁5を介して枠体4に支持されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of the wavelength tunable
また、それぞれの梁5には、上部電極6と下部電極7との間に圧電体8を設けた積層構造の駆動層9が配置している。この駆動層9は、制御回路10からの駆動信号を上部電極6に印加することで、上部電極6と下部電極7との間に電位差が生じ、この電位差に応じて圧電体8に撓みが生じ、この撓みによって反射板3を反射板2との対峙する方向に移動させることができる。つまり、梁5に配置された駆動層9に印加する駆動信号の電圧を調節することで、一対の反射板2,3の間隔を自在に調節することが出来る。なお、制御回路10は、波長可変光フィルタ1における梁5より外側の上面に実装されており、上部電極6や下部電極7に接続された端子電極11とワイアボンディング12により接続したものを図示している。なお、この波長可変光フィルタ1では制御回路10を枠体4の延長部分に実装しているが、波長可変光フィルタ1に制御回路10と電気的接続を行う端子電極11を配置し、制御回路10を波長可変光フィルタ1を実装する母材上に配置することもできる。
Each
また、図2の中で上側に配置された反射板3は、梁5における内側端部分で、且つ、下側の反射板2の側に配置している。なお、梁5と反射板3の間には中間層13が設けられている。
Further, the reflecting
そして、この波長可変光フィルタ1は、図3に示すように、光源14から射出された平行光線15を測定対象物16に照射し、その透過光17を、バンドパスフィルタ18、波長可変光フィルタ1を通過させてフォトダイオード19で受光する。このような構成において、波長可変光フィルタ1における反射板2,3の微小間隔を順次変動させることによって反射板2から射出される透過光17の波長を選択し、その透過光量をフォトダイオード19で測定することによって、分光スペクトルの測定を行うことができる。なお、波長可変光フィルタ1は、透過光17が反射板3を通過した後に、下側の反射板2との間で多重反射を起こし、反射板2,3の微小間隔で決定する干渉条件と一致する波長の光線のみが共振し、この共振した波長の光線だけが反射板2を透過する。すなわち、反射板2から射出される透過光17の波長は、一対の反射板2,3の間隔により決定され、その間隔を変位させることにより検出波長を選択することができる。
As shown in FIG. 3, the wavelength tunable
より具体的には、制御回路10から駆動層9に駆動信号を印加して、反射板2,3の間隔を350nm〜1.5μmの範囲で制御することで、一次の干渉条件により、様々な波長の混在する透過光17から近赤外線領域(700nm〜3.0μm)の任意の波長の光線を取り出すことが可能となる。このとき、他次数の干渉条件により取り出される不要な波長を除去するバンドパスフィルタ18と、所望の波長領域に感度のあるフォトダイオード19を組み合わせることで、簡便な部品構成にて近赤外線領域に応じた分光スペクトルを測定することができる。なお、干渉条件については、一例として一次の干渉条件を用いることとしたが、他次数の干渉条件を用いてもよい。
More specifically, by applying a drive signal from the
次に、この波長可変光フィルタ1の製造方法を説明する。なお、この製造方法においては、反射板2を含む下側部分を第1ブロック20の形成する工程と、反射板3や梁5を含む上側部分を第2ブロック21の形成する工程と、これらを接合する工程からなるものである。
Next, a manufacturing method of the wavelength tunable
第1ブロック20の形成工程は、まず、図4(a)に示すように、Si基板22上に凹部23を形成する。次に、図4(b)に示すように、Si基板22における凹部23を含む主面側にSiN層24とAu層25を順に積み重ねる。次に、図4(c)に示すように、Si基板22の裏面側において透過光17の光路となる部分に凹部26を形成してSiN層24を露出させることで第1ブロック20が形成される。なお、Au層25は反射板2における反射面を形成している。
In the step of forming the
第2ブロック21の形成工程は、図5(a)に示すように、Si基板27上にSiO2層28、Si層29の順に積層したSOI(Si on Insulator)基板30を準備し、その表面には下部電極7を形成するPt層31、圧電体8を形成するPZT層32、上部電極6を形成するAu層33を形成する。また、裏面にはSiN層34とAu層35を積層する。次に、図5(b)に示すように、Au層33、PZT層32、Pt層31を順次加工し、駆動層9を形成する。なお、このパターンニングにおいて、特に図示していないが、駆動層9に対する配線用の電極や端子電極11なども形成する。そして、図5(c)に示すように、SOI基板30の下面側に凹部36を形成してSiO2層28を露出させて梁5を形成する。さらに、図5(d)に示すように、透過光17の光路となる部分に凹部37を形成して、SiN層34が露出した反射板3を形成することで第2ブロック21が形成される。また、梁5と反射板3の間に介在する中間層13はSi層27により形成されている。
As shown in FIG. 5 (a), the
そして、第1ブロック20と第2ブロック21との接合工程は、図6に示すように、第1ブロック20の上面の外周部分に位置するAu層25と、第2ブロック21の下面の外周部分に位置するAu層35とを接合することで波長可変光フィルタ1を構成することができる。なお、第1ブロック20と第2ブロック21の接合体において、枠体4は、梁5より外側に位置する第2ブロックを構成するSi基板27、SiO2層28、Si層29、SiN層34、Au層35と、第1ブロックを構成するSi基板22、SiN層24、Au層25からなる多層構造体により構成されている。
As shown in FIG. 6, the bonding process between the
また、上述したように、第1ブロック20における反射板2を形成するAu層25や、第2ブロック21おける反射板3を形成するAu層35を設ける際に、 第1,2ブロック20,21における外周端部分まで形成したことで、このAu層25,35が第1,2ブロック20,21の接合部材とでき、この接合に要するための部材を別途形成する工程を省略している。
Further, as described above, when the
このような波長可変光フィルタ1は、上述したように、梁5の内側端部分を上下方向に振動させ反射板3を反射板2との対峙方向に変位させ、その間隔を変動させることで多重反射における共振波長を可変するものであるから、梁5の振幅を大きくすることで透過光17の可変幅を広帯域化でき、対峙する反射板2,3の平行度を確保することで検出精度が高められるものである。なお、対峙する反射板2,3の間隔により決まる透過波長の範囲は、上述したように微小範囲であるから、反射板3は、梁5に対して対峙する反射板2の側で支持する構成としている。また、梁5に設ける駆動層9は、図1に示すように、駆動層9の一部が配線電極(特に図示せず)や端子電極11として用いられることから、波長可変光フィルタ1における外表面もしくはその近傍層に配置することが好ましい。
As described above, such a wavelength tunable
そして、この波長可変光フィルタ1においては、駆動層9を配置する梁5の内側端部分で反射板3を支持する構造とした。この構成によればことで、波長可変光フィルタ1の特性を高めることができるのである。
The wavelength tunable
すなわち、駆動層9は圧電体8を上部電極6と下部電極7とで挟み込んだ積層構造であるが、これらの形成段階において圧電体8の配向性を高めるための応力の付与や熱膨張差によって生じる応力が駆動層9に内部応力として残留し、駆動層9が配置される梁5に歪を生じさせる。このため、この歪が生じる梁5の裏面に反射板3を形成すると反射板3の平坦度や傾きが保てなくなってしまう。また、この歪の影響を解消するべく梁5の厚みを増すと、梁5の振動性を劣化させてしまうことになる。したがって、駆動層9を設ける梁5と反射板3を別構造とし、この別構造である反射板3を梁5の内側部分で支持することで、反射板3に対する駆動層9の内部応力の影響を低減でき、結果として波長可変光フィルタ1の特性を向上させることができるのである。さらには、駆動層9と反射板3を形成する際に、互いに製造上の制約を受けることなく最適な条件で形成可能となり、駆動効率の高い駆動層9と反射率の高い反射板3を両立できることから、波長可変光フィルタ1の特性向上に寄与することができるのである。
In other words, the
なお、対峙する反射板2,3の間隔を設定する場合、梁5と反射板3との間に中間層13を設けることにより、梁5で生じた歪が反射板3に伝わるのを抑制し、反射板3の平坦度を高め、傾きを抑制できるのである。なお、この中間層13は、枠体4を形成する材料、特に、上述した第2ブロック21を形成するSi基板27と同じ材料としたことで、図5で説明したように別工程を設けることなく中間層13を形成することができるのである。
When setting the interval between the reflecting
また、駆動層9の内部応力を緩和する構成として、駆動層9の内側端を梁5の内側端より外側とすることで、反射板3を支持する梁5の内側端部分が駆動層9の形成されない部分となり、この部分における反射板3に対する内部応力の影響を緩和され、反射板3の傾きを抑制するとともに、反射板2,3間の平行度を高精度に制御できる。
In addition, as a configuration for reducing the internal stress of the
なお、この中間層13は、図7に示すように、反射板3の全面を覆うように設けることで、反射板3の強度をさらに高めることができ、反射板3の平坦度を高めることができる。ただし、中間層13を全面に設ける場合、中間層13が入射光路にかかることから、中間層13の材料を透過光17の波長にあった材料を選択しなければならない。たとえば透過光17の波長が1.1μm以上であれば、中間層13の材料をSiとすることで透過光の帯域においてカバーできる。
As shown in FIG. 7, the
また、反射板3に対する駆動層9の内部応力を緩和する構成としては、図8に示すように、駆動層9の内部応力とは逆向きの内部応力を有する上部層38を駆動層9の上に配置することが好ましい。なお、この駆動層9の内部応力と逆向きの内部応力を有する上部層38はNiなどの金属膜を形成すればよい。ただし、駆動層9の表面を構成する上部電極6との絶縁性を確保する必要があるため、駆動層9を含む梁5の表面をエポキシ系光効果樹脂などの絶縁層39で覆い、その表面に上部層38を形成した構造としている。このことにより、反射板3の傾きを抑制するとともに、反射板2,3間の平行度を高精度に制御することができるのである。
Further, as a configuration for relaxing the internal stress of the
なお、上部層38は駆動層9と同様に内部応力を有するものであることから、駆動層9と同様に梁5の内側端部分、つまり反射板3を支持している部分を含む内側部分を、上部層38を形成しない非形成部とすることが好ましい。このことにより、反射板3の傾きと、反射板2,3間の距離をさらに高精度に制御できる。
Since the
また、波長可変光フィルタ1が動作していない初期状態において、梁5の形状を上方に反った形状とすることで、非動作時における反射板2,3の間隔が確保でき、波長可変光フィルタ1の運搬時の衝撃などによる接触による破損やスティッキングを防止できるのである。なお、この梁5を上方に反らせる構造としては、上述した上部層38の内部応力を利用することで構成することができるのである。
Further, in the initial state where the wavelength tunable
また、上部層38を金属材料で構成することから、この上部層38に適度な強度を持たせることができ、この部分が梁5として機能させることができるので、図9に示すように、梁5における上部層38と対向する部分から中間層13との接続部分までを部分的に除去することで、より駆動効率を高めることができるのである。
Further, since the
また、反射板2,3の平行度をより高精度に制御する場合、図2に示すように、反射板2,3に複数の対向電極40を配置して、ここで得られる検出信号を制御回路10に入力し、それぞれの対向電極40で形成する静電容量のバランスや変化を判定しフィードバック制御することで、より平行度を高めることができるのである。
When the parallelism of the reflecting
さらに、この一実施の形態の波長可変光フィルタ1のように複数の梁5を介して反射板3を支持する構成とする場合、梁5や駆動層9などの材料バラツキや加工バラツキなどの変動要素を含め梁5の撓み精度を一致させる必要があるため、それぞれの梁5の撓み量を個別に制御することが有効となる。特に、梁5を反射板3の中央に対して対称位置に配置することで、反射板3の傾斜補正を高度に行うことができる。なお、反射板3を支持する梁5の本数については、等間隔に対称配置すれば4つに限定されないが、制御回路10の複雑化や配線の引き回しを考慮すれば梁5は4つとすることが好ましい。
Further, when the
また、特に図示していないが、反射板3を支持する各梁5上に、2つ以上の駆動層9を設けてもよい。同じ梁5に配置された異なる駆動層9を個別制御することで、下側の反射板2との平行度をより高い精度で制御することが可能となる。また、駆動層9を構成する圧電体8および下部電極7は単一のものとし、上部電極6のみを2つ以上に分離することによれば、製造するプロセスを簡素化しながらも、同様の効果が得られる。
Although not particularly illustrated, two or
次に、波長可変光フィルタ1の調整方法について説明する。この波長可変光フィルタ1のように一対の反射板2,3の微小間隔を順次変動させることによって所望の波長を選択し、その際の分光スペクトルの測定を行う場合、測定環境によって反射板2,3の微小間隔が変動し、測定波長の絶対値がばらつく可能性がある。その際には、例えば図3に示すとおり、波長が既知である単一波長の別光源42と、この別光源42に応じた別フォトダイオード43を、分光スペクトルを測定する透過光17の光路とは異なる光路44にて設けることで補正可能となる。
Next, a method for adjusting the wavelength tunable
すなわち、別フォトダイオード43で受光した光量が最大となるよう、波長可変光フィルタ1の全ての駆動層9に同電圧を印加し、上側の反射板3を変位させる。別フォトダイオード43で受光した光量が最大となる際の、一対の反射板2,3の微小間隔が、既知の波長を選択しているので、測定波長の絶対値を補正することができる。
That is, the same voltage is applied to all the drive layers 9 of the wavelength tunable
また、このように別の光路44により補正することで、反射板3を反射板2に対して平行に制御することが可能である。反射板2,3の平行度は分光スペクトルの半値幅と密接に関連しており、反射板2,3が平行に配置された際には、半値幅が低減し光量が増大する。このことを利用し、別フォトダイオード43で受光した光量が最大となるよう、複数の駆動層9において個別に順次印加する電圧を変動させることによれば、反射板2,3の平行度を向上させ、高精度なフィルタ特性が実現し、スペクトル半値幅が小さい分光スペクトルの測定が可能となる。なお、補正に用いた光路について、波長可変光フィルタ1を透過する形をとったが、波長可変光フィルタ1の反射光によっても同様の補正が可能である。
In addition, by correcting with another
また、図10に示すように、梁5の内側部分を幅が狭い蛇行形状とすることで、梁5における振幅の大きい内側部分が低弾性となり、梁5の撓み量に対する反射板3の変位量をより大きくすることができる。
Further, as shown in FIG. 10, the inner portion of the
なお、特に図示していないが、この蛇行形状部分における梁5の延伸方向と一致する辺と、梁の延伸方向と直行する辺にも駆動層を設け、これらを個別に撓み量を制御することで、梁5に設けられた面積が大きい駆動層9により大きな撓み量を確保しつつ、蛇行形状部分に設けられた小さい駆動層で撓み量の微調整ができるので、上側の反射板3の変位量を確保しつつ下側の反射板2との平行度を高精度に保つことができる。
Although not shown in particular, a drive layer is also provided on the side that coincides with the extending direction of the
本発明に係る波長可変光フィルタは、一対の反射板の間隔の変位幅を広げるとともに平行度を保ちフィルタ特性を向上させることができ、特に、近赤外線領域を含む広い波長領域に対応可能な波長可変光フィルタにおいて有用である。 The wavelength tunable optical filter according to the present invention can increase the displacement width of the distance between the pair of reflectors and maintain the parallelism to improve the filter characteristics, and in particular, the wavelength that can correspond to a wide wavelength region including the near infrared region. Useful in variable optical filters.
2 第1の反射板
3 第2の反射板
4 枠体
5 梁
8 圧電体
9 駆動層
10 制御回路
11 端子電極
13 中間層
38 上部層
39 絶縁層
2
Claims (10)
前記枠体の内側に一端が支持された梁と、
この梁の他端に支持されるとともに、前記第1の反射板と対峙した第2の反射板と、
前記梁に設けられた圧電体からなる駆動層と、
この駆動層の撓みを制御する制御回路あるいは前記制御回路を接続する端子電極を備え、
前記第2の反射板を、前記梁における前記第1の反射板の側で接続したことを特徴とする波長可変光フィルタ。 A frame and a first reflector supported on the inside of the frame;
A beam supported at one end inside the frame;
A second reflector supported by the other end of the beam and facing the first reflector;
A driving layer made of a piezoelectric body provided on the beam;
A control circuit for controlling the deflection of the driving layer or a terminal electrode for connecting the control circuit,
The wavelength tunable optical filter, wherein the second reflecting plate is connected to the beam on the first reflecting plate side.
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CN114843726A (en) * | 2022-06-07 | 2022-08-02 | 欧梯恩智能科技(苏州)有限公司 | Tunable filter and manufacturing method thereof |
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