JP6424337B2 - 波長可変光フィルタモジュール - Google Patents

Description

本発明は、所定波長の光線を選択的に透過させて検出する波長可変光フィルタモジュールに関する。

従来、この種の波長可変光フィルタモジュールとしては、以下の構造が知られている。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波長可変光フィルタを利用している。そして、波長可変光フィルタにおける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て、検出器で検出する。

そして、従来の波長可変光フィルタモジュールの利用例としては、中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センサがあげられる。

なお、従来の波長可変光フィルタモジュールは、光線を射出する光源と、波長可変光フィルタと、検出器とが、光源の光軸に沿った直線上に配置されている。

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。

特表平１０−５１１７７２号公報

しかしながら、従来の波長可変光フィルタモジュールにおいては、波長可変光フィルタと検出器は光源に沿った直線上に配置されおり、波長可変光フィルタと検出器は別体として扱われていた。よって、波長可変光フィルタモジュールを製造する際、製造工程が増えてしまい、生産性の課題があった。

本発明はこのような課題を解決し、波長可変光フィルタモジュールの生産性を向上させることを目的とする。

この目的を達成するために本発明の波長可変光フィルタモジュールは、内部に反射部を有するパッケージと、パッケージの内部に配置され、互いに対向する第１及び第２の反射板を有し、第１の反射板と第２の反射板との間隔が可変する波長可変光フィルタと、パッケージの内部に配置され、波長可変光フィルタを通過する光線を検出する検出器とを備える。そして、波長可変光フィルタと検出器は、反射部に対向する側に配置され、波長可変光フィルタを介してパッケージ内部に入射する光線は、反射部を介して検出器に入射することを特徴とする。

この構成により、波長可変光フィルタモジュールの生産性を向上させることが出来る。

図１は、本発明の実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの断面図である。 図２は、本発明の実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの測定原理を示す模式図である。 図３は、本実施の形態における波長変換光フィルタモジュールの波長変換光フィルタの断面図である。 図４は、本実施の形態における波長変換光フィルタモジュールの検出器の断面図である。 図５Ａは、本実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの第１ブロックの製造方法を示す模式図である。 図５Ｂは、本実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの第１ブロックの製造方法を示す模式図である。 図５Ｃは、本実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの第１ブロックの製造方法を示す模式図である。 図５Ｄは、本実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの第１ブロックの製造方法を示す模式図である。 図６Ａは、本実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの第２ブロックの製造方法を示す模式図である。 図６Ｂは、本実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの第２ブロックの製造方法を示す模式図である。 図６Ｃは、本実施の形態における波長可変光フィルタモジュールの第２ブロックの製造方法を示す模式図である。 図７は、本実施の形態における第１ブロックと第２ブロックの接合方法を示す模式図である。

（実施の形態）
＜波長可変光フィルタモジュールの構成＞
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は波長可変光フィルタモジュール１の断面図である。まず、波長可変光フィルタモジュール１の基本構造について説明する。

パッケージ５は、第１ブロック５ａ（第１の領域）と、第２ブロック５ｂ（第２の領域）で構成されている。そして、パッケージ５は内部空間６を有する。波長可変光フィルタ２と検出器３は、パッケージの内部に配置されている。パッケージ５のうち、第２ブロック５ｂは傾斜面３７を有し、傾斜面３７の表面に反射面３８Ａ、３８Ｂ（反射部）が形成されている。反射面３８Ａ、３８Ｂが光路調整部４として機能している。

次に、本実施の形態の波長可変光フィルタモジュール１に入射される光の光路について説明する。

図２に示すように、光源７から射出された平行光線８は測定対象物９に照射される。そして、透過光１０は、バンドパスフィルタ１１、波長可変光フィルタ２を通過し、パッケージ５の内部に入射する。パッケージ５の内部に入射する光は、反射面３８Ａ（反射部）、反射面３８Ｂ（反射部）で順に反射し、検出器３で受光する。

なお、波長可変光フィルタ２が透過光１０の波長を選択し、検出器３が透過光量を測定することによって、分光スペクトルの測定は行われる。

＜波長可変光フィルタ２の構成の詳細＞
波長可変光フィルタ２は、図３に示すように、対向配置された２つの反射板１２、１３を有する。反射板１２の端部は、枠体１４で支持されている。反射板１３の端部は梁１５を介して枠体１４に支持されている。

なお、反射板１２は、アモルファスシリコン層１６の間に窒化シリコン層１７が配置された３層構造である。反射板１３も反射板１２と同様に、アモルファスシリコン層１８の間に窒化シリコン層１９が配置された３層構造である。枠体１４は、反射板１２，１３の両側の延出部分とその間に配置された酸化シリコン層２０による７層構造である。

梁１５の表面（下面）には駆動層２４が配置されている。駆動層２４は、電極２１（第１の電極）と電極２２（第２の電極）との間に圧電体層２３が設けられて構成されている。駆動層２４は、制御回路（図示せず）から接続端子（図示せず）を介して電極２１（第１の電極）に駆動電圧が印加される。駆動電圧が電極２１に印加されると、電極２１、２２の間に電位差が生じる。この電位差に応じて圧電体層２３が撓む。この撓みが、反射板１３を反射板１２と対向する方向（図面上下方向）に向かって変位させることができる。つまり、梁１５に配置された駆動層２４に印加する駆動電圧の大きさを調節することで、一対の反射板１２，１３の間隔を自在に調節することが出来る。

なお、駆動層２４の表面には、弾性絶縁層２５と金属層２６からなる振動部２７が設けられている。振動部２７が駆動層２４を拘束することで、梁１５は大きな撓みを得ることができる。

＜検出器３の構成＞
検出器３は、図４に示すように、電極２１と電極２２の間に焦電体層２８が設けられた検出層２９で形成されている。上述した波長可変光フィルタ２における枠体１４の延長部分、つまり反射板１２を構成するアモルファスシリコン層１６と窒化シリコン層１７と、反射板１３を構成するアモルファスシリコン層１８と窒化シリコン層１９と、これらの間に配置される酸化シリコン層２０からなる７層の構造体の表面に、検出層２９は配置されている。

＜パッケージ５の構成＞
次にパッケージ５の内部構成について、図１を参照しながらさらに詳細に説明する。

パッケージ５は、図１に示すように、内部空間６を有する中空構造体である。内部空間６を形成する図中上側の第１平面３１に、波長可変光フィルタ２と、検出器３が並んで配置されている。パッケージ５には、波長可変光フィルタ２の入射光路となる部分に開口部３５Ａが形成され、検出器３の裏面近傍で検出器３の熱拡散を防止する部分に開口部３５Ｂが形成されている。

なお、本実施の形態の波長可変光フィルタモジュール１では、開口部３５Ａが形成されているが、ガラスなど光が透過できる材料で、光路を形成すれば、必ずしも開口部３５Ａを形成する必要はない。波長可変光フィルタ２に光が入射できれば、何ら問題はない。

さらに開口部３５Ｂについては、検出器３の熱拡散を防止するためのものであるが、必ずしも形成する必要はない。

更に、パッケージ５の第２ブロック５ｂには、凹部３６が形成されている。傾斜面３７は凹部３６の側面の一部である。傾斜面３７の表面に反射面３８Ａ、３８Ｂが形成されている。そして反射面３８Ａ、３８Ｂが光路調整部４となっている。

次に、パッケージ５の内部における光の光路について説明する。

波長可変光フィルタモジュール１は、図２に示すように、入射された透過光１０が反射板１２，１３との間で多重反射を起こし、反射板１２，１３（図３参照）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する。そして、この共振した波長の光線だけが反射板１２，１３（図３参照）を透過する。上述したように、波長可変光フィルタ２の反射板１３の微小間隔を順次変動させることによって反射板１３から射出される透過光１０の波長が選択される。波長可変光フィルタ２から出力された透過光１０が光路調整部４（反射面３８Ａ、３８Ｂ）で反射して検出器３に入射する。検出器３で、その透過光量を測定することによって、分光スペクトルが測定される。

より具体的には、駆動層２４に駆動信号を印加して、反射板１２，１３の間隔を３５０ｎｍ〜１．５μｍの範囲で制御する。そして、一次の干渉条件により、様々な波長の混在する透過光１０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１１と、所望の波長領域に感度のある検出器３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。

＜波長可変光フィルタモジュール１の製造方法＞
次に、本発明の実施の形態における波長可変光フィルタモジュール１の製造方法について、図５Ａ〜図６Ｃを参照しながら説明する。

なお、本実施の形態においては、パッケージ５は第１ブロック５ａと、第２ブロック５ｂとの接合構造である。第１ブロック５ａは第１ブロック５ａを含み、波長可変光フィルタ２および検出器３が第１平面３１に配置される。また、パッケージ５の第２ブロック５ｂは光路調整部４を形成する。

［第１ブロック５ａの製造方法］
まず、第１ブロック５ａの製造方向について説明する。

図５Ａに示すように、シリコンからなる基板３０の一面にアモルファスシリコン層１６、窒化シリコン層１７、アモルファスシリコン層１６を順に成形する。なお、これらの層が反射板１２および枠体１４の一部を構成する。

次に、アモルファスシリコン層１６の上に酸化シリコン層２０を形成する。なお、これらの層は、枠体１４の一部および犠牲層を構成する。

更に、酸化シリコン層２０の上に、アモルファスシリコン層１８、窒化シリコン層１９、アモルファスシリコン層１８を順に成形する。なお、これらの層が反射板１３、枠体１４の一部、梁１５を構成する。

さらに、アモルファスシリコン層１８の上に、電極２２、圧電体層２３または焦電体層２８、電極２１がスパッタ法等により順に積層される。電極２２は白金で形成され、圧電体層２３および焦電体層２８はチタン酸ジルコン酸鉛で形成され、電極２１は金で形成されている。

次に、ＩＣＰドライエッチングによって電極２２（白金）と、圧電体層２３または焦電体層２８（チタン酸ジルコン酸鉛）と、電極２１（金）の一部を除去することにより、図５Ｂに示すように駆動層２４、検出層２９がパターンニングされる。

さらに、図５Ｃに示すように、波長可変光フィルタ２の駆動層２４となる部分の表面に振動部２７が形成される。光架橋反応が進行するような絶縁材料から成る弾性絶縁層２５が電極２１の上に形成される。さらに、弾性絶縁層２５の上面に電界めっき法により銅からなる金属層２６が形成される。弾性絶縁層２５および金属層２６で振動部２７は形成される。

次に、反射板１３や梁１５の下方に位置する酸化シリコン層２０を、フッ化水素を用いて除去する。犠牲層のうち枠体１４に相当する酸化シリコン層２０は除去されない。

さらに、基板３０の反射板１２及び検出層２９の裏面側部分を除去し開口部３５Ａ、３５Ｂを形成する。図５Ｄに示すように、上述した通り、第１ブロック５ａが完成する。

［第２ブロック５ｂの製造方法］
次に、第２ブロック５ｂの製造方法について説明する。図６Ａに示すように第２ブロック５ｂを構成するシリコンからなる基板３０に対して、第２平面３２に、ドライエッチにより内部空間６を構成する第２平面３２と側壁部分が形成される。次に、図６Ｂに示すように、第２平面３２にウエットエッチングにより凹部３６を形成する。凹部３６には、傾斜面３７が形成される。続いて、図６Ｃに示すように、第２ブロック５ｂの表面（第２平面３２傾斜面３７など）に対して、金をスパッタリングや蒸着し、反射面３８Ａ、３８Ｂを形成する。これにより第２ブロック５ｂが完成する。

最後に、図７に示すように、第１ブロック５ａの外周部分に露出した電極２２の延出部分となる白金と、第２ブロック５ｂにおける反射面３８Ａ、３８Ｂの延出部分となる金を接合させることで、第１ブロック５ａと第２ブロック５ｂを一体化させ、パッケージ５が完成する。

以上のように、パッケージ５の内部空間６の第１ブロック５ａ（第１の領域）の表面に波長可変光フィルタ２と検出器３が配置されている。さらには、パッケージ５の内部空間６の第２ブロック５ｂ（第２の領域）の表面に光路調整部４として機能する反射部（反射面３８）が形成されている。よって、波長可変光フィルタ２と検出器３を配置する第１ブロック５ａと、光路調整部４を有する第２ブロック５ｂに分けることか可能となる。そして、波長可変光フィルタ２と検出器３を第１ブロック５ａとして形成し、光路調整部４を第２ブロック５ｂとして形成し、その後に第１ブロック５ａと第２ブロック５ｂを接合している。よって、本実施の形態の波長可変光フィルタモジュール１は、上述したような製造方法で生産できる。この結果、波長可変光フィルタ２、光路調整部４および検出器３の位置あわせ精度についても、半導体プロセスによる高精度な組み立てにより確立されるため波長可変光フィルタモジュール１の生産性を高めることができる。さらに、波長可変光フィルタモジュール１の全体が半導体プロセスにより形成でき、ＭＥＭＳ構造にできる。よって、波長可変光フィルタモジュール１の低背化を実現できる。

また、本実施の形態では、波長可変光フィルタ２の駆動層２４を形成する圧電体層２３と、検出器３の検出層２９を形成する焦電体層２８を同じチタン酸ジルコン酸鉛で形成している。圧電体層２３と焦電体層２８を同一の材料で形成することにより、同一のプロセスで形成できることができる。よって、より生産性を高めることができる。

なお、本実施の形態では、圧電体層２３及び焦電体層２８の材料として、チタン酸ジルコン酸鉛を用いて説明したが、これに限定されない。圧電体層２３及び焦電体層２８の材料が単結晶構造（または一軸配向結晶構造）のＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物であって、Ａサイトの主成分がＰｂであり、Ｂサイトが、Ｚｒ、Ｔｉの元素を含み、正方晶、菱面体晶から選ばれる結晶相を有し、その結晶相が＜１００／００１＞配向しているものであれば、チタン酸ジルコン酸鉛と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、図２に示す通り、パッケージ５内において、透過光１０は、反射面３８Ａ、反射面３８Ｂの２箇所で反射してから、検出器３に入射している。つまり、反射部は、反射面３８Ａおよび反射面３８Ｂで形成されている。しかしながら反射面の数は２つに限定されるものではない。

例えば、２つの反射面３８Ａ、３８Ｂの間に位置する凹部３６の底面にも反射面３８Ｃ（図２参照）を設け、反射面３８Ａ、３８Ｂの傾斜角を小さくすることで、３面反射構成とすることが可能である。反射面３８Ａなどの反射部を形成する傾斜面３７の傾斜角を小さくできれば、ウエットエッチングが容易となり、生産性を高めることができる。

本実施の形態では凹部３６の傾斜面３７に反射面３８Ａなどの反射部を形成する構成で説明したが、特に図示していないが、内部空間６に突出するように傾斜面３７を形成し、この傾斜面３７に反射部を設ける構成としてもよい。

また、上述した実施の形態においては、波長可変光フィルタ２における反射板１２，１３の間隔を可変させる手段として圧電体層２３を用いた圧電駆動方式で説明したが、静電駆動方式や電磁駆動方式といった公知の駆動方式を用いる場合で効果を得ることができる。ただし、圧電駆動型は梁１５を圧電体層２３の伸縮により直接的に変形させるものであることから、上述した静電駆動方式や電磁駆動方式のものに比べ、反射板１３の変位量を大きくすることや、反射板１３の変位応答性を高めることができる。

本発明によれば、所定波長の光線を選択的に透過させて検出する波長可変光フィルタモジュールに関して、生産性を高めることができる。特に、中赤外線や、近赤外線を利用する波長可変光フィルタモジュールに有用である。

１ 波長可変光フィルタモジュール
２ 波長可変光フィルタ
３ 検出器
４ 光路調整部
５ パッケージ
５ａ 第１ブロック
５ｂ 第２ブロック
６ 内部空間
７ 光源
８ 平行光線
９ 測定対象物
１０ 透過光
１１ バンドパスフィルタ
１２，１３ 反射板
１４ 枠体
１５ 梁
１６，１８ アモルファスシリコン層
１７，１９ 窒化シリコン層
２０ 酸化シリコン層
２１，２２ 電極
２３ 圧電体層
２４ 駆動層
２５ 弾性絶縁層
２６ 金属層
２７ 振動部
２８ 焦電体層
２９ 検出層
３１ 第１平面
３２ 第２平面
３５Ａ，３５Ｂ 開口部
３６ 凹部
３７ 傾斜面
３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ 反射面

Claims (7)

1. 内部に反射部を有するパッケージと、
   前記パッケージの内部に配置され、互いに対向する第１及び第２の反射板を有し、前記第１の反射板と前記第２の反射板との間隔が可変する波長可変光フィルタと、
   前記パッケージの内部に配置され、前記波長可変光フィルタを通過する光線を検出する検出器と、
   を備え、
   前記波長可変光フィルタは、前記第１の反射板と前記第２の反射板との間隔を可変させる圧電体層を有し、
   前記検出器は、前記圧電体層と同じ材料で形成された、光線を検出する焦電体層を有し、
   前記波長可変光フィルタと前記検出器は、前記反射部に対向する側に配置され、
   前記波長可変光フィルタを介して前記パッケージ内部に入射する光線は、前記反射部を介して前記検出器に入射することを特徴とする波長可変光フィルタモジュール。
2. 前記パッケージが、第１の領域と第２の領域とを含み、
   前記第１の領域に前記波長可変光フィルタおよび前記検出器が配置され、
   前記第２の領域に前記反射部が形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタモジュール。
3. 前記圧電体層及び前記焦電体層のいずれも
   単結晶構造または一軸配向結晶構造の、ＡＢＯ３で表される、
   ペロブスカイト型酸化物である
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタモジュール。
4. 前記波長可変光フィルタは、
   前記第１の反射板を支持する枠体と、
   前記枠体と前記第２の反射板とを接続する梁と、
   をさらに備え、
   前記梁の表面には、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極との間
   に配置される前記圧電体層で構成される駆動層が配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタモジュール。
5. 前記パッケージは内部に複数の傾斜面を有し、
   前記反射部が前記傾斜面の表面に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタモジュール。
6. 前記パッケージ内部に凹部を有し、
   前記複数の傾斜面は、前記凹部の側面の一部である
   ことを特徴とする請求項５に記載の波長可変光フィルタモジュール。
7. 前記凹部の底面にさらに反射部が設けられている
   ことを特徴とする請求項６に記載の波長可変光フィルタモジュール。
   
   
   

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