JP5002757B2 - 光波面制御装置 - Google Patents
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Description
図31は、光波面制御装置における光波面の制御を行わない場合の模式図、図32は、光波面制御装置における光波面の制御を行う場合の模式図である。
続いて、光波面制御装置の従来例について以下に説明する。
光波面制御装置300は、図33、図34に示すように、シリコン(Si)基板301上に、櫛歯形状の電極が配置された下側櫛歯302および同様に配置された上側櫛歯303が形成されたシリコンオンインシュレータ(SOI:Silicon On Insulator)構造をなしており、上側櫛歯303および下側櫛歯302の櫛歯部にマイクロミラー300aが設置されている。
図35は、従来の光波面制御装置の作製工程の要部断面模式図である。
まず、Si基板301、酸化シリコン(SiO2)層301aおよびSi層を有するSOI構造を形成する。そして、下側櫛歯302の電極を作製するために、SOI構造のSi層に対して、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)加工を行うことによって、Si層302aが形成される(図35(A))。
続いて、上側櫛歯303の電極およびマイクロミラー300aを作製するため、Si層303aおよびSiO2層303aaを露光およびパターニングの後に、DRIE加工し、上側櫛歯303が形成される(図35(C))。
以上により、光波面制御装置300が形成される。
図36は、従来の光波面制御装置におけるマイクロミラーの各動作を表した断面模式図である。
そして、同様に、2つの上側櫛歯303に同一の電圧を印加するとマイクロミラー300aが上方向に併進動作を行うことができる。
第1に、図33、図34の従来の構造では、マイクロミラー300aを動作させるためには、図36(A)に示したように、マイクロミラー300aを初期位置に配置させるために、Si基板301にバイアス電圧を印加してマイクロミラー300aをSi基板301側に引き寄せ、マイクロミラー300aを上側櫛歯303と下側櫛歯302との間の中央位置に保つ必要がある。すなわち、光波面制御装置300を使用する際には、設置されている全てのマイクロミラー300aにバイアス電圧を印加して、マイクロミラー300aを初期位置に保たなければならない。この時、光の波面制御に寄与しないマイクロミラー300aについても常に電圧を印加する必要があり、消費電力が大きくなるという問題がある。
まず、本発明の概要について説明し、その後に、本発明の実施の形態について説明する。
光波面制御装置10は、支持基板層11aおよび中間層11bからなる底面部11cと、内壁に一体的に形成されたトーションバー12を介してマイクロミラー13を備えるデバイス部11dと、が順に積層されたミラー基板11と、透明電極16が両端に長手方向に設置された上部ガラス基板15とが、デバイス部11dの縁に形成されたスペーサ14を介して、結合されることによって構成される。
図2は、本発明の動作原理の断面模式図である。なお、図2では、トーションバー12およびマイクロミラー13の長手方向に対して直交する方向の断面図であり、デバイス部11dの側壁、中間層11bおよびスペーサ14の記載は省略している。
第1の実施の形態は、マイクロミラーをアレイ状に複数並べて構成される光波面制御装置を例にあげて以下に説明する。
上記の光波面制御装置用上部ガラス基板20と、光波面制御装置用ミラー基板30とを、スペーサ36を介して接合することによって、図6に示すように、光波面制御装置40が形成される。なお、図6は、光波面制御装置用ミラー基板30のA−A’面の断面図であり、マイクロミラー35上に、金属膜37を形成した場合を示している。
図9は、第1の実施の形態における光波面制御装置用ミラー基板の作製工程の要部断面模式図である。なお、図9は、図5におけるA−A’面およびB−B’面における断面図を示している。
続いて、このSOI構造のSi層33aの表面にAu/クロム(Cr)にて、メタライズを行って、金属膜37aを形成する(図9(B):A−A’面およびB−B’面の断面図である。)。
続いて、Si層33の形成後、例えば、フッ化水素(HF)を用いて、SiO2層32aを溶解し、SiO2層32が形成される(図9(E):B−B’面の断面図である)。
以上の工程によって形成された光波面制御装置用ミラー基板30に対して、ITO電極25、電極パッド23などが形成された光波面制御装置用上部ガラス基板20を、はんだバンプによって構成されるスペーサ36を介して接合すれば、これまで説明してきたような併進動作および回転動作が可能な光波面制御装置40を形成することができる。
図10は、トーションバー34と一体的に形成されたマイクロミラー35との断面を模式的に示したものである。なお、トーションバー34が一体的に形成されたSi層33などの記載については省略している。
[実施例1−1]
実施例1−1では、被制御光として1次元の空間光ビームの場合を例にあげ、図11を用いて以下に説明する。
空間光ビーム補正機構50において、左上の入力口から、入力された入力空間光ビーム51が、ビームスプリッタ53aを通過して、本発明の概要で説明した光波面制御装置40に入射される。
そして、下方に進む制御された入力空間光ビーム51はビームスプリッタ53aaによって、出力空間光ビーム52として出力されると同時に波面センサ54によって検出される。
実施例1−2では、被制御光として1次元の光短パルスの場合を例にあげ、図12を用いて以下に説明する。
光短パルス整形機構50aは、実施例1−1と同様に、左上の入力口からの入力光短パルス51aが、ビームスプリッタ53aを通過し、回折格子56により分光され、光波面制御装置40に入射され、そこで各周波数成分の位相がシフトされる。
実施例1−1および実施例1−2では1次元の空間光ビームの補正および1次元の光短パルスの整形の場合を例にあげて説明した。これに対し、実施例1−3では被制御光として2次元の空間光ビームの場合を例にあげ、図13を用いて以下に説明する。
空間光ビーム補正機構50bでは、2つの光波面制御装置40a,40bを、それぞれのマイクロミラーの長手方向が直交するように設置し、さらに、反射ミラー57を光波面制御装置40a,40bの上面に設置することにより構成される。
次に、光波面制御装置40aにおいて反射された空間光ビームは、反射ミラー57で反射され、光波面制御装置40bに入射する。
実施例1−1および実施例1−2では、光波面制御装置用ミラー基板30において、同方向にそろった同一の複数のマイクロミラー35によって構成されるマイクロミラーアレイが1組形成された場合、そして、実施例1−3では、光波面制御装置40を2組利用した場合を例にして説明した。これに対し、実施例1−4では、光波面制御装置用ミラー基板において、同様に2組のマイクロミラーアレイが1つに形成された場合を例にあげ、図14を用いて以下に説明する。
光波面制御装置60は、光波面制御装置用上部ガラス基板60aと光波面制御装置用ミラー基板60bとから構成されている。なお、光波面制御装置用上部ガラス基板60aを、光波面制御装置用ミラー基板60bにスペーサ66aを介して接合させる時には、図14に示すITO電極65が光波面制御装置用ミラー基板60bと対向するようにして接合させる。
図15は、第1の実施の形態における2組のマイクロミラーアレイを備える光波面制御装置に反射体を適用した例図である。なお、図15では、光波面制御装置の光波面制御装置用上部ガラス基板の記載については省略しており、図15中の破線は光の道筋を表している。
図16は、第1の実施の形態における2組のマイクロミラーアレイを備える光波面制御装置に反射体を適用した別の例図である。なお、図16では、光波面制御装置の光波面制御装置用上部ガラス基板の記載については省略しており、図16中の破線は光の道筋を表している。
第1の実施の形態の光波面制御装置では、SOI構造にマイクロミラーを配列させたミラー基板と、マイクロミラーに対応する電極が形成されたガラス基板とが備えられていた。
図18は、第2の実施の形態における光波面制御装置の概要図である。
図19は、第2の実施の形態の動作原理の断面模式図である。なお、図19では、ミラー基板71の側壁部およびスペーサ74の記載は省略している。
図20は、第2の実施の形態における光波面制御装置の斜視模式図、図21は、第2の実施の形態における光波面制御装置の断面模式図である。なお、第1の実施の形態と同じ構成のものは特に断りが無い限り同じ符号とする。また、上部ガラス基板81を、ミラー基板82にスペーサ36を介して接合させる時には、図20に示すITO電極25がミラー基板82と対向するようにして接合させる。
上部ガラス基板81は、第1の実施の形態と同様に、ガラス基板22に、電極パッド23、マイクロミラー電位用配線24、ITO電極25、スペーサ貼付位置26、貫通電極84およびフレキシブル基板21により構成されている。なお、フレキシブル基板21は貫通電極84と接触するように実装されている。
図22、図23、図24は、第2の実施の形態における光波面制御装置用ミラー基板の作製工程の要部断面模式図である。なお、図22、図23、図24は、図20のミラー基板82のA−A’面における断面図を示している。
メタライズを行ったSOI構造に対し、Si層33aの一部および金属膜85上にフォトレジストを形成し、露光などを行って、マイクロミラーパターンが描かれたフォトレジストパターン86を形成する(図22(B))。
マイクロミラーパターンが描かれたフォトレジストパターン86,86aをマスクとして、DRIEを行うことによって、Si層33aの一部を除去し、Si層33aaを形成する(図23(A))。
Si層33の形成後、フォトレジストパターン86を除去して、HFを用いて、SiO2層32bの一部を溶解させる。なお、ここまでの工程にて、第1の実施の形態の光波面制御装置用ミラー基板30を形成することができる(図23(C))。
ミラー基板82が形成されると、スペーサ36を介して、下部ガラス基板83を貼り合わせる(図24(B))。
以上の工程のように、ミラー基板82の形成後、上部ガラス基板81および下部ガラス基板83を貼り合わせることによって容易に光波面制御装置80を形成することができる。
図23(B)に続いて、Si層33の形成後、再びDRIEにて、Si基板31aの一部をエッチングする(図27(A))。
最後に、スペーサ36を介して、同様に、上部ガラス基板81を張り合わせて、光波面制御装置80aが完成する(図27(D))。
また、第2の実施の形態の光波面制御装置80,80aでも、第1の実施の形態と同様に、上部ガラス基板81、下部ガラス基板83,83aおよびミラー基板82,82aにそれぞれマーカを形成しておき、マーカの位置合わせを行いながら一体化して、マイクロミラー35とITO電極25との相対位置を調整することによって実装することが可能である。そのため、従来の光波面制御装置と比較して極めて簡易なプロセスで作製することが可能である。なお、光波面制御装置80aの突起部83bでは、顕微鏡でITO電極25を観察して位置合わせを行いながら張り合わせる。
実施例2−1では、被制御光として1次元の空間ビームの場合を例にあげ、図28を用いて以下に説明する。
空間光ビーム補正機構90において、左上の入力口から、入力された入力空間光ビーム91が、ハーフミラー93を通過して、本発明の概要で説明した光波面制御装置80に入射される。
以上のような光波面の制御を行うことによって、入力空間光ビームを理想的なガウシアンビームに近づかせることが可能となる。
実施例2−2では、被制御光として1次元の光短パルスの場合を例にあげ、図29を用いて以下に説明する。
光短パルス光整形機構90aは、実施2−1と同様に、左上の入力口からの入力光短パルス91aが、ハーフミラー93aを通過し、回折格子97により分光され、光波面制御装置80に入射される。
[実施例2−3]
実施例2−1および実施例2−2では、光波面制御装置80のミラー基板82において、同方向にそろった同一の複数のマイクロミラー35によって構成されるマイクロミラーアレイが1組形成された場合を例にして説明した。これに対し、実施例2−3では、光波面制御装置のミラー基板において、2組のマイクロミラーアレイが1つに形成された場合を例にあげ、図30を用いて以下に説明する。
第1の支持基板層および額縁状の中間層が順に積層された底面部と、前記底面部上に形成され、内壁にトーションバーを介してマイクロミラーが一体的に形成され、上面にスペーサを備えるデバイス部とを有するミラー基板と、
一対の透明電極が、前記マイクロミラーの両端部もしくは両端部近傍にそれぞれ重なるように配置され、前記スペーサを介して前記ミラー基板と接合する上部ガラス基板と、
を有することを特徴とする光波面制御装置。
(付記9) 前記透明電極は、インジウム錫酸化物で形成されることを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の光波面制御装置。
第1の支持基板層および中間層が順に積層された底面部と、前記底面部上に形成され、内壁にトーションバーを介してマイクロミラーが一体的に形成され、上面にスペーサを備えるデバイス部とを有するミラー基板を作製する工程と、
一対の透明電極が、前記マイクロミラーの両端部もしくは両端部近傍にそれぞれ重なるように配置され、前記スペーサを介して前記ミラー基板と接合する上部ガラス基板を作製する工程と、
を有することを特徴とする光波面制御装置の製造方法。
11 ミラー基板
11a 支持基板層
11b 中間層
11c 底面部
11d デバイス部
12 トーションバー
13 マイクロミラー
14 スペーサ
15 上部ガラス基板
16 透明電極
Claims (7)
- 光波面の位相を制御する光波面制御装置において、
第1の支持基板層および額縁状の中間層が順に積層された底面部と、前記底面部上に形成され、内壁にトーションバーを介してマイクロミラーが一体的に形成され、上面にスペーサを備えるデバイス部とを有するミラー基板と、
一対の透明電極が、前記マイクロミラーの両端部もしくは両端部近傍にそれぞれ重なるように配置され、前記スペーサを介して前記ミラー基板と接合する上部ガラス基板と、
を有し、
前記マイクロミラーは前記一対の透明電極および前記第1の支持基板層のそれぞれに印加する電圧に応じて前記トーションバーを軸とする回転動作および前記上部ガラス基板面に対する上下方向への併進動作のうち少なくとも一方を行うことを特徴とする光波面制御装置。 - 前記ミラー基板は、前記第1の支持基板層および前記デバイス部がシリコン、前記中間層が酸化シリコンによって構成されるSOI構造であることを特徴とする請求項1記載の光波面制御装置。
- 前記底面部に代わり、一対の透明電極が前記マイクロミラーの両端部もしくは両端部近傍にそれぞれ重なるように配置され、前記デバイス部に別のスペーサを介して接合する下部ガラス基板を有することを特徴とする請求項1記載の光波面制御装置。
- 前記別のスペーサに代わって下から順に積層された額縁状の第2の支持基板層と前記中間層とを介して、前記第2の支持基板層と同じ高さの突起部が一部にさらに形成され、前記突起部が前記第2の支持基板層と嵌合して、前記デバイス部と接合する前記下部ガラス基板を有することを特徴とする請求項3記載の光波面制御装置。
- 同一面上に別のマイクロミラーをさらに形成した前記デバイス部と、同一面上に前記別のマイクロミラーに対応した別の一対の透明電極をさらに配置した前記上部ガラス基板と、さらに、前記マイクロミラーからの光を前記別のマイクロミラーへ反射させる反射体とを備えていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光波面制御装置。
- 前記トーションバーの厚さが、前記マイクロミラーおよび前記別のマイクロミラーの厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光波面制御装置。
- 金属膜が前記マイクロミラーおよび前記別のマイクロミラーの、表面および裏面の少なくとも表面に形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光波面制御装置。
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