JP4634057B2

JP4634057B2 - 光キャビティ

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Publication number: JP4634057B2
Application number: JP2004076130A
Authority: JP
Inventors: 賢一中村
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005262357A

Description

本発明は、各種光学装置で光学部材を平行移動させるため等に用いる平行移動装置において、その構造の簡単化と高精度化を実現するための技術に関する。

可変波長の光フィルタや光路切替器等の光学装置では、通過光の波長や光路を可変するために、装置を構成している光学部材を平行移動させる必要がある。

例えば、可変波長の光フィルタの場合、固定ミラーに対して可動ミラーを平行に対向配置し、一方のミラーの外側から透過した光のうち、ミラー間の距離で決まる波長の光を選択的に出射させる所謂光キャビティが用いられている。

この構造の光フィルタで波長を可変する場合、可動ミラーを固定ミラーに対して平行移動して、固定ミラーとの距離を可変する必要がある。

この種の光フィルタとして、次の特許文献１には、図１３に示すように、固定電極１１と固定ミラー１２の間に可動ミラー１３を配置し、固定電極１１と可動ミラー１３の間に電圧Ｖを印加して、その静電的な引力を用いて、可動ミラー１３を平行移動して、固定ミラー１２との間の距離を可変するものが開示されている。

この可動ミラー１３の具体的な構造は、図１４に示すように、固定部１３ａの中央に配置された円板状の可動部１３ｂを、Ｕ字状に形成され弾性変形可能な複数の支持部１３ｃ、１３ｃ、……により支持している。

米国特許第６３７３６３２号明細書

しかしながら、上記のように固定部１３ａの内側に配置された可動部１３ｂを、固定部１３ａの表面と直交する方向に平行移動させる構造の場合、支持部１３ｃとして、３次元の弾性変形の自由度が必要となり、複数の支持部１３ｃについてこれら３次元の自由度をもつ弾性変形の特性を均一化することは困難であり、また、平行移動のための駆動力を可動部１３ｂの表面に均一に与えることが困難であり、過度固定ミラー１２との距離が変更される毎に可動部１３ｂの姿勢が微妙に変化してしまい、固定ミラー１２に対する平行度が低下する。

この可動部１３ｂの姿勢変化は、キュビティの波長選択特性を劣化させ、狭帯域な選択特性が得られなくなってしまう。

本発明は、この課題を解決し、簡単な構造で、可動部の姿勢を高精度に保持しつつ、平行移動できる平行移動装置を用いた光キャビティを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光キャビティは、
固定ミラー（４３）と、
前記固定ミラーに平行に対向する可動ミラー（２２）と、
前記固定ミラーと可動ミラーとの間に入射した光のうち、前記固定ミラーと可動ミラーの距離で決まる波長の光を選択的に出射させるため、前記可動ミラーを移動して前記固定ミラーとの距離を変化させる平行移動手段（２０）とを有する光キャビティにおいて、
前記固定ミラーは、前記平行移動手段とは分離して配置され、
前記平行移動手段は、
共有結合結晶体基板により、固定部（２１）と、該固定部から離間した位置に配置され且つその一部が前記可動ミラーを形成する可動部（２２）と、前記固定部と前記可動部の間を連結する同一長で平行な複数の支持部（２３、２４）とが同一平面上に一体形成され、
前記各支持部の両端と前記固定部および可動部との間が、前記平面に沿った方向に弾性変形可能な弾性変形部（２５）を介して連結され、
駆動手段（３０）により、前記可動部または前記支持部に対して前記平面に沿った力を付与することで前記可動部を前記固定部に対して平行移動させることによって、前記固定ミラーと可動ミラーの距離を変化させ、
前記固定ミラーと可動ミラーとの間に光を入射する複数の入射部（４２）をさらに備え、
前記複数の入射部の一つは、その波長が既知である基準光を前記固定ミラーと可動ミラーとの間に入射する基準光入射部であり、
前記固定ミラーは、前記複数の入射部にそれぞれ対応して複数設けられ、且つ、これらの複数の固定ミラーは前記可動ミラーからそれぞれ異なる距離の位置に固定されていて、それぞれの波長掃引範囲が異なるようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２の光キャビティは、請求項１の光キャビティにおいて、
前記固定ミラーと可動ミラーの対向面が前記複数の支持部の並び方向に沿うように、前記固定ミラーと可動ミラーが配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の光キャビティは、請求項１の光キャビティにおいて、
前記固定ミラーと可動ミラーの対向面が前記複数の支持部の並び方向と交差するように、前記固定ミラーと可動ミラーが配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４の光キャビティは、請求項３の光キャビティにおいて、
前記可動部は、前記複数の支持部の並び方向の両端部から前記固定部側へ突出した突出部（２２ｃ、２２ｄ）を有し、前記複数の支持部の並び方向と交差する端面側に前記可動ミラーが形成され、
前記駆動手段は、前記可動部の両突出部とその近傍に配置された電極（３１、３２）との間に発生させた静電力により前記可動部を平行移動させることを特徴とする。

また、本発明の請求項５の光キャビティは、請求項３の光キャビティにおいて、
前記可動部は、前記固定部と反対方向に突出した突出部（２２ｅ）を有し、前記突出部の前記複数の支持部の並び方向と交差する側面に前記可動ミラーが形成され、
前記駆動手段は、前記可動部の前記複数の支持部の並び方向の両端部とその近傍に配置された電極（３１、３２）との間に発生させた静電力により前記可動部を平行移動させることを特徴とする。

また、本発明の請求項６の光学装置は、請求項４または請求項５の光キャビティにおいて、
前記電極は、同一の電圧を交互に出力することを特徴とする。

このように構成したため、本発明の光キャビティは、簡単な構成で、可動部を高い平行度を保持したまま移動させることができる平行移動手段により、光学部材を精度よく平行移動させることができ、平行度が特性を左右する光学素子の光学特性を高い精度で変えることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、光に対して反射、吸収または偏光等の作用を有する光学部材を移動させて光学特性を変化させる各種光学装置、例えば光フィルタや光路切替器等の光学装置に用いることができる本発明の実施形態の平行移動装置２０の基本構成を示している。

この平行移動装置２０は、半導体基板等の共有結合結晶体で且つ所定波長範囲の光を透過させる所定厚さの基板（例えばシリコン基板）に対するエッチング処理で一体形成されたもので、横長矩形の平板状の固定部２１と、固定部２１から離間した位置に配置された横長矩形の平板状の可動部２２と、固定部２１と可動部２２の間を連結する同一長で平行な複数（この例では２つ）の支持部２３、２４とが同一平面上に設けられている。なお、固定部２１は図示しない基台上に固定されている。

２つの支持部２３、２４の両端と固定部２１および可動部２２との間は、固定部２１、可動部２２および支持部２３、２４が含まれる平面に沿った方向に弾性変形できるように細く形成された弾性変形部２５を介して連結されている。

駆動手段３０は、電圧差による静電的な吸引作用、磁界の吸引反発作用、超音波振動等により、可動部２２または支持部２３、２４に対して前記平面に沿った力を付与して、固定部２１に対する支持部２３、２４の傾きを変化させ、可動部２２を固定部２１に対して平行移動させる。

例えば図２に示すように駆動手段３０から可動部２２（あるいは支持部２３、２４でもよい）に左方への力Ｆを与えると、可動部２２が左方へ移動するが、このとき、支持部２３、２４がその両端の弾性変形部２５の変形により平行状態のまま左に傾くので、可動部２２は、固定部２１に対する姿勢を保持しながら左方へ平行移動する。

このとき、固定部２１と可動部２２の距離Ｈは、固定部２１に対する支持部２３、２４の傾きθに応じて短くなる。また、可動部２２の左方への移動距離Ｌは傾きθに応じて大きくなる。

この駆動手段３０による駆動形態は、可動部２２を連続的に往復移動させる形態だけでなく、ある位置に移動させてその状態を保持する形態あってもよい。

可動部２２を連続的に往復移動させる場合、可動部２２、支持部２３、２４および弾性変形部２５の重さや形状、弾性変形部２５の弾性係数等で決まる固有振動数に対応した周期で力を与えることで、少ない駆動エネルギーで大きな振幅を得ることができる。

また、駆動手段３０による力の付与は、可動部２２の一端側だけでなく、両端から交互に与えるようにしてもよく、また、図１に点線で示しているように、固定部２１と可動部２２の間の位置あるいは支持部２３、２４の側方から付与してもよい。

上記構成の平行移動装置２０の各部の寸法と固有振動数の一例を示す。厚さ８００μｍの基板のエッチングによって形成した場合の例を示すと、可動部２２の長さ２０００μｍ、幅４００μｍ、支持部２３、２４の長さ１０００μｍ、幅４００μｍ、弾性変形部２５の最小幅２０μｍとしたとき、固有振動数約７ｋＨｚが得られている。

このように構成された平行移動装置２０では、その弾性変形部２５の変形の自由度が２次元で、固定部２１の表面に沿った面内に限定されるので、可動部２２は、固定部２１の表面に対して上下動することなく平行な姿勢を維持したまま左右方向に移動し、移動に伴う平行度の変化は極めて少ない。

また、２本の直線状の支持部２３、２４で可動部２２を支持する簡単な構成で済み、高い寸法精度が容易に実現でき、特性を均一化できる。

したがって、光学部材を移動させてその特性を変化させる各種光学装置に、この平行移動装置２０を用いることで、構造を簡単化し、動作精度を格段に高くすることができる。

なお、上記実施形態の平行移動装置２０では、２本の支持部２３、２４によって可動部２２を支持していたが、３本以上の支持部で支持する構造であってもよい。

また、固定部２１、可動部２２および支持部２３、２４の形状も任意であり、例えば、図３に示す平行移動装置２０のように、固定部２１の上縁に突出部２１ａ、２１ｂを平行に設け、可動部２２の下縁にも突出部２２ａ、２２ｂを平行に設け、突出部２１ａ、２２ａの間、突出部２１ｂ、２２ｂの間を前記同様に弾性変形部２５を介して支持部２３、２４で連結する構造にしてもよい。

また、この場合、各突出部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの長さは必ずしも同一である必要はなく、図４の極端な例のように、各突出部の長さを全て異なるように設定しても、支持部２３、２４の長さが等しければ、突出部２２ａ、２２ｂを含む可動部２２を、その姿勢を変化させることなく、平行移動させることができる。

また、図５のように、可動部２２の形状を逆Ｔ字状に形成してもよく、この場合、中央から上方に突出する突出部２２ｃの部分をミラー等の光学部材とすることができる。

また、上記した各平行移動装置２０では、固定部２１に対して複数の支持部２３、２４が直交する状態を、外力を与えていないときの基準状態としていたが、図６に示すように、固定部２１に対して支持２３、２４が傾いた状態を基準状態としてもよい。この場合、可動部２２の左右方向の移動量に対して固定部２１との距離の変化幅を大きくすることができる。

次に、上記平行移動装置２０を用いた光学装置の構成例について説明する。
図７は、上記平行移動装置２０により共振波長を変化させる光キャビティ４０の構成例を示している。

この光キャビティ４０は、前記した平行移動装置２０の可動部２２を光キャビティの可動ミラーとして用いている。

光キャビティ４０の矩形の基台４１（絶縁体とする）の上には、前記平行移動装置２０を構成する固定部２１、可動部２２、支持部２３、２４および弾性変形部２５の一体構造が配置されている。基台４１の中央部には、可動部２２および支持部２３、２４の動きを妨げないように矩形の穴４１ａが設けられている。

また、固定部２１、可動部２２、支持部２３、２４および弾性変形部２５は導電性を持つように処理（表面加工処理や素材自体の選択による）されているものとし、その可動部２２の両端近傍には、それぞれ駆動電極３１、３２が対向するように配置されている。なお、ここでは、光の入射を妨げないように前記固定部２１が左右の固定部２１Ａ、２１Ｂに分割されている。

固定部２１Ａと駆動電極３１との間および固定部２１Ｂと電極３２との間に、駆動電源３３、３４が接続されている。

駆動電源３３、３４は、駆動電極３１、３２とともにこの実施形態の駆動手段３０を構成するものであり、図８に示すように、同一電圧Ｖを交互に出力するように構成され、可動部２２の両端に静電的な吸引力を交互に付与して、可動部２２を左右に往復移動させる。

なお、この例では、可動部２２の両端面を駆動電極３１、３２に対向する電極面としているが、電極面積を大きくして、駆動能率を高めるために、可動部２２の両端面に別途電極板を固定してもよい。また、可動部２２の両端部をＬ字状あるいはＴ字状に形成して端面の面積を増すようにしてもよい。

駆動電源３３、３４による電圧の印加周期Ｔは、前記したように、可動部２２、支持部２３、２４および弾性変形部２５によって決まる固有振動数ｆ（共振周波数）に対応（Ｔ＝１／ｆ）しているので、少ない電力で可動部２２を大きな振幅で往復させることができる。なお、一つの駆動電源の出力を駆動電極３１、３２に交互に与えてもよい。

基台４１の一端側（固定部２１Ａ、２１Ｂが設けられている側）には、入射光Ｐを受けて可動部２２に導く入射部４２が設けられており、この入射部４２から入射された光が可動部２２を通過する。

可動部２２は、光キャビティの可動ミラーを形成するものであり、その表面側には、誘電体多層膜ミラーが形成されている。

可動部２２の前方の基台４１上には、可動部２２とともに光キャビティを構成する固定ミラー４３が平行に対向するように配置されている。

固定ミラー４３は、可動部２２を通過してきた光を可動部２２との間で往復させて、可動部２２との距離で決まる波長およびその近傍の光Ｐ′を出射する。

この光Ｐ′は光電変換器４４に入射され、その光強度に対応した電圧の電気信号に変換され、図示しない信号処理部に出力される。

このように構成された光キャビティ４０で可動部２２を往復移動させることで、固定ミラー４３から出射される光Ｐ′の波長が連続的に掃引され、その波長毎の光強度が光電変換器４４によって検出され、その波長毎の強度を例えば表示出力することで、入射光Ｐのスペクトラムを把握することができる。

前記したように、可動部２２の移動に伴う姿勢変化は極めて少ないので、可動部２２と固定ミラー４３との平行状態を初期設定しておけば、可動部２２が移動してもその平行度の変化は極めて少なく、波長毎の分解能の変化が起こらず、精度の高いスペクトラム解析を行うことができる。

上記図９、図１０は、上記光キャビティ４０の変形例を示しており、図９の光キャビティ４０は、入射部４２と光電変換器４４を複数組設けて多チャネル化したものである。なお、この光キャビティ４０の一つのチャネルに波長既知の基準光を入射すれば、光キャビティ４０の波長校正が可能となる。

また、図１０の光キャビティ４０も多チャネル化したものであるが、この例では、固定ミラー４３も複数組設け、可動部２２からの距離をそれぞれ異なるように設定しておくことで、チャネル毎の波長掃引範囲を変えている。

また、上記した各光キャビティ光学装置４０は、可動部２２を往復移動して、固定ミラー４３から出射された光Ｐ′を光電変換して入射光のスペクトラムを求めるものであったが、光電変換器４４を省略すれば、波長可変形の光フィルタとなる。

また、上記した各光キャビティ光学装置４０では、平行移動装置を構成する横長矩形の可動部２２を可動ミラーとして用いる場合であったが、可動部２２にミラーなどの光学部材を固定してもよい。

また、図１１の光キャビティ４０のように、可動部２２の両端から固定部２１側に突出部２２ｃ、２２ｄを設け、入射部４２からの光を固定部２１の一端側（この例では左端側）から入射し、他端側（右端側）から出射された光を固定ミラー４３に入射するとともに、突出部２２ｃ、２２ｄと駆動電極３１、３２との間に電圧を印加する構成であってもよい。この場合、入射光Ｐの光軸を固定部２１と交差しない位置に設けることができ、固定部を分割する必要がない。また、可動部２２の左右方向の移動量そのものが固定ミラー４３に対する距離の変化量となるので、より少ないエネルギーで必要な移動量を得ることができる。

また、図１２の光キャビティ４０のように、可動部２２の中央（一端側でもよい）から固定部２１と反対方向に突出する突出部２２ｅを可動ミラーとして用いることも可能である。この場合も図１１に示した光キャビティと同様に、入射光Ｐの光軸を固定部２１と交差しない位置に設けることができ、固定部を分割する必要がなく、また、可動部２２の左右方向の移動量そのものが固定ミラー４３に対する距離の変化量となるので、より少ないエネルギーで必要な移動量を得ることができる。

本発明の平行移動装置の実施形態の構成図実施形態の動作説明図本発明の平行移動装置の変形例を示す図本発明の平行移動装置の変形例を示す図本発明の平行移動装置の変形例を示す図本発明の平行移動装置の変形例を示す図本発明の光キャビティの実施形態の構成を示す図実施形態の光キャビティの駆動信号図本発明の光キャビティの変形例を示す図本発明の光キャビティの変形例を示す図本発明の光キャビティの変形例を示す図本発明の光キャビティの変形例を示す図従来装置の構成図従来装置の要部平面図

符号の説明

２０……平行移動装置、２１……固定部、２２……可動部、２３、２４……支持部、２５……弾性変形部、３０……駆動手段、３１、３２……駆動電極、３３、３４……駆動電源、４０……光キャビティ、４１……基台、４２……入射部、４３……固定ミラー、４４……光電変換器

Claims

固定ミラー（４３）と、
前記固定ミラーに平行に対向する可動ミラー（２２）と、
前記固定ミラーと可動ミラーとの間に入射した光のうち、前記固定ミラーと可動ミラーの距離で決まる波長の光を選択的に出射させるため、前記可動ミラーを移動して前記固定ミラーとの距離を変化させる平行移動手段（２０）とを有する光キャビティにおいて、
前記固定ミラーは、前記平行移動手段とは分離して配置され、
前記平行移動手段は、
共有結合結晶体基板により、固定部（２１）と、該固定部から離間した位置に配置され且つその一部が前記可動ミラーを形成する可動部（２２）と、前記固定部と前記可動部の間を連結する同一長で平行な複数の支持部（２３、２４）とが同一平面上に一体形成され、
前記各支持部の両端と前記固定部および可動部との間が、前記平面に沿った方向に弾性変形可能な弾性変形部（２５）を介して連結され、
駆動手段（３０）により、前記可動部または前記支持部に対して前記平面に沿った力を付与することで前記可動部を前記固定部に対して平行移動させることによって、前記固定ミラーと可動ミラーの距離を変化させ、
前記固定ミラーと可動ミラーとの間に光を入射する複数の入射部（４２）をさらに備え、
前記複数の入射部の一つは、その波長が既知である基準光を前記固定ミラーと可動ミラーとの間に入射する基準光入射部であり、
前記固定ミラーは、前記複数の入射部にそれぞれ対応して複数設けられ、且つ、これらの複数の固定ミラーは前記可動ミラーからそれぞれ異なる距離の位置に固定されていて、それぞれの波長掃引範囲が異なるようにしたことを特徴とする光キャビティ。
前記固定ミラーと可動ミラーの対向面が前記複数の支持部の並び方向に沿うように、前記固定ミラーと可動ミラーが配置されていることを特徴とする請求項１記載の光キャビティ。
前記固定ミラーと可動ミラーの対向面が前記複数の支持部の並び方向と交差するように、前記固定ミラーと可動ミラーが配置されていることを特徴とする請求項１記載の光キャビティ。
前記可動部は、前記複数の支持部の並び方向の両端部から前記固定部側へ突出した突出部（２２ｃ、２２ｄ）を有し、前記複数の支持部の並び方向と交差する端面側に前記可動ミラーが形成され、
前記駆動手段は、前記可動部の両突出部とその近傍に配置された電極（３１、３２）との間に発生させた静電力により前記可動部を平行移動させることを特徴とする請求項３記載の光キャビティ。
前記可動部は、前記固定部と反対方向に突出した突出部（２２ｅ）を有し、前記突出部の前記複数の支持部の並び方向と交差する側面に前記可動ミラーが形成され、
前記駆動手段は、前記可動部の前記複数の支持部の並び方向の両端部とその近傍に配置された電極（３１、３２）との間に発生させた静電力により前記可動部を平行移動させることを特徴とする請求項３記載の光キャビティ。
前記電極は、同一の電圧を交互に出力することを特徴とする請求項４または請求項５記載の光キャビティ。