特許 7097823 変調ファブリ・ペロー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-30

(45)【発行日】2022-07-08

(54)【発明の名称】変調ファブリ・ペロー

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/00 20060101AFI20220701BHJP

   G01J 3/26 20060101ALI20220701BHJP

【ＦＩ】

G02B26/00

G01J3/26

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018563714

(86)(22)【出願日】2017-06-22

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-09-26

(86)【国際出願番号】 EP2017065364

(87)【国際公開番号】W WO2018001851

(87)【国際公開日】2018-01-04

【審査請求日】2020-05-20

(31)【優先権主張番号】20161086

(32)【優先日】2016-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】NO

(73)【特許権者】

【識別番号】518188555

【氏名又は名称】チューナブル・アーエス

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】イブ－ルネ・ヨハンセン

【審査官】鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００７０７９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１３－５０５４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８２１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０２５９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５２０８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１４１２１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／００

Ｇ０１Ｊ ３／２６

Ｇ０１Ｎ ２１／００

Ｇ０１Ｎ ２１／２５ － ２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フレームに取り付けられた２つの平らな、本質的に平行な鏡面を含む２つの鏡を含むファブリ・ペロー干渉計を備える気体検出用の分光計であって、前記鏡が、それらの間の既知の距離を有し、前記鏡面の少なくとも１つが、共に部分的に反射性であり部分的に透過性であり、第１のアクチュエータユニット及び第２のアクチュエータユニットを含む少なくとも２つのアクチュエータユニットがあり、前記第１のアクチュエータユニットが第１のアクチュエータを含み、前記第２のアクチュエータユニットが第２のアクチュエータを含み、前記第１のアクチュエータユニットが、フィルタでフィルタリングされた波長を特定の範囲内に調整するように前記鏡間の前記距離を調整するように適合され、前記第２のアクチュエータユニットが、１０～１０００Ｈｚの範囲の選択された周波数ｆで前記距離を変調するように適合され、それによって両方が、前記ファブリ・ペロー干渉計のフィルタリングされた波長の範囲に対応する鏡の距離の範囲にわたる変動を与え、前記第２のアクチュエータの変調の動きの振幅が、前記第１のアクチュエータの動きによって作られる調整未満であり、
前記鏡の少なくとも１つが、シリコン膜を介して前記フレームに関連し、前記アクチュエータユニットの少なくとも１つが、前記シリコン膜上に圧電材料を含み、それによってバイモルフ又はユニモルフアクチュエータユニットを構成する、気体検出用の分光計。

【請求項2】

前記フィルタリングされた波長が前後に走査されるように、変調が、前記フィルタの光軸に対して平行な動きである、請求項１に記載の分光計。

【請求項3】

前記変調がサイナスである、請求項１に記載の分光計。

【請求項4】

前記第１のアクチュエータユニット及び前記第２のアクチュエータユニットが、前記ファブリ・ペロー干渉計の同じ鏡を移動させる、請求項１に記載の分光計。

【請求項5】

前記第１のアクチュエータユニットが、前記ファブリ・ペロー干渉計の１つの鏡を移動させ、前記第２のアクチュエータユニットが、前記ファブリ・ペロー干渉計の他の１つの鏡を移動させる、請求項１に記載の分光計。

【請求項6】

選択された領域間の静電容量を測定し、前記フィルタリングされた波長を平均化し、前記平均化されたフィルタリングされた波長を変調ありと変調なしで比較することによって、前記フィルタリングされた波長に対応する前記鏡の距離が測定される、請求項１に記載の分光計。

【請求項7】

前記鏡の少なくとも１つがフォトニック結晶膜である、請求項１に記載の分光計。

【請求項8】

前記鏡の少なくとも１つが表面プラズモンに基づく、請求項１に記載の分光計。

【請求項9】

前記シリコン膜が開口部を含み、前記バイモルフ又はユニモルフアクチュエータユニットが、前記フレームから前記鏡まで延びる膜アーム上に配置されている、請求項１に記載の分光計。

【請求項10】

少なくとも１つのアクチュエータユニットが、静電力を利用する、請求項１に記載の分光計。

【請求項11】

前記ファブリ・ペロー干渉計を介して送られる光が、高調波検出を用いて検出される、請求項１に記載の分光計。

【請求項12】

光音響検出器における、請求項１に記載の分光計の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ファブリ・ペロー（ＦＰ：Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）タイプの新しいタイプの調節可能な光学フィルタに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、ＷＯ２０１１／００３３０２８及びＥＰ２５５７４４１で論じられているように、調節可能なファブリ・ペローを使用する通常の方法は、鏡（ミラー）間の距離を本質的に一定の速度で変化させ、スペクトル応答をサンプリングし、これをデジタル的に分析することによって波長走査を行うことである。１／ｆノイズを低減するには、毎秒多くの走査を実行することが推奨される。通常、走査周波数は、移動した鏡の質量、バネの剛性及び利用可能な出力によって制限される。このように、Ω＝１０Ｈｚでファブリ・ペローフィルタを走査することが可能であると仮定する。理想的には、１０００Ｈｚの検出周波数が必要な場合がある。これは、ｆ＝５００Ｈｚで高周波サイナス（または周期信号）変調を加えた後、２×ｆで信号を復調し、同様にダイオードレーザ分光測定における高調波検出と同じように２倍高調波で検出することによって得られる。通常、ｆの走査移動は、Ωの走査移動よりもはるかに小さくなる。シリコン上の圧電材料のユニモルフ（またはバイモルフ）アクチュエータで作られたファブリ・ペロー（ＦＰ）は、通常、１０^１０フルスキャンを実行できる。それは、１つの外端から他の端への走査である。これは、３０Ｈｚでの１０年間の使用、または３００Ｈｚでの１年間の使用に相当する。従って、全走査数を大幅に減らし、又はむしろ重ね合わせたサイナスを使用して高周波を得ることが有利である。

【0003】

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、圧電材料として適している。シリコン上にユニモルフアクチュエータを使用して製造されたＰＺＴ ＦＰは、特に曲げが最大である場合に、高い歪みでの繰り返し曲げによる破損、層間剥離又は短絡を経る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１１／００３３０２８号

【文献】欧州特許第２５５７４４１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従って、本発明の目的は、寿命の長い調節可能なファブリ・ペローフィルタを提供することである。これは、添付の特許請求の範囲に定義されるように得られる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

したがって、本発明は、より低い歪みで作られ、変調周波数ｆが適用される第２のアクチュエータとは別個のアクチュエータで走査又は波長調整が行われることを提案する。これにより、第２のアクチュエータがゼロ点に近く、変調周波数ｆの振幅が全波長走査よりもはるかに小さいため、歪みが減少する。これにより、大幅に寿命が増加する。また、歪みを低減するだけでなく、機械的な動きも少なくするために、より薄いＰＺＴで第２のアクチュエータを作ることができる。あるいは、歪みの少ないＰＺＴの第２のアクチュエータを作ることができる。これらは、一般的に長寿命であるが、機械的な動きはより少なくなる。これは、例えば、下部電極を改質し、ＰＺＴを少しエッチングして成長構造を変化させることによって、または対応する領域における熱処理をある方法で行うことによって得ることができる。

【0007】

もう１つの選択肢は、静電変調を用いて第２のアクチュエータを作ることである。静電変調は短いストローク長を有し、より広い波長範囲にわたって走査するのには適していないが、一方、それは多数のサイクルにわたって動作することができる。したがって、ＰＺＴアクチュエータで走査し、静電アクチュエータを用いて周波数ｆで変調する。静電アクチュエータは、プレートタイプ又はフィンガー／カムまたは垂直カムタイプのものがある。

【0008】

アクチュエータは電磁石であってもよく、例えば磁石がＦＰの可動部分に取り付けられ、高周波走査がスピーカまたは電動機のように磁場を印加することによって提供される。または、コイルなどの導電体を可動ＦＰ部に取り付け、磁場を提供するために外部磁石を使用して、フィルタを高速に走査することができる。

【0009】

アクチュエータは熱的でもよく、ＰＺＴアクチュエータを高速変調に使用する場合もある。アクチュエータは、ＰＺＴバイモルフとしても作ることができる。ＰＺＴは、アクチュエータに適したいくつかの圧電材料のうちの１つに過ぎず、加えて多くの電歪材料が適している。

【0010】

さらに、スクイーズフィルム効果を避けるか、高周波での変調の減衰を避けることがポイントである。スクイーズフィルム効果は、２つの面の間の狭いチャネルから離れていなければならない空気によって引き起こされる。フォトニック結晶から作られた鏡は、開口部を通って大きく、これらは、スクイーズフィルム効果を低減するためのリリーフチャネルとして機能することができる。もう１つの選択肢は、センサを真空で詰めて変調の減衰を減らすことである。

【0011】

その他のタイプの鏡は、多層鏡（干渉フィルタ／ミラー）、金属鏡、金属鏡と多層鏡の組合せ、フォトニック結晶に基づく鏡、表面プラズモンに基づく鏡に適している。表面プラズモンに基づく鏡は、例えば、光透過性基板上にパターン化された金属を用いて作られてもよい。

【0012】

静電的な変調では、表面が互いにくっつかないようにエンドストップを使用すると効果的である。典型的には、このようなエンドストップは、例えば、酸化ケイ素で作られる１つ以上の非導電性スペーサブロックである。スペーサブロックのサイズは、表面が互いに粘着すること、いわゆるスティクションを避けるために、できるだけ小さくてもよい。

【0013】

ファブリ・ペロー干渉計の鏡間の距離の測定は、多数の異なる技術、例えば容量性測定、光三角測量、光学近接場、干渉測定、圧電測定原理、磁気及び誘導測定で行われることができ、それらの多くは、シリコンにおける集積に適している。

【0014】

変調可能なファブリ・ペローは、光音響用途に特に適している。多くの場合、振幅変調器（チョッパ）が光音響セルに入射する光を変調するために使用される。これは、光音響信号を生成する光音響セルの壁及び窓内の光の一部を吸収することが多い。このように、壁や窓からの光音響信号は、かなりのオフセット（ベースライン）を与え、求められる弱い信号、例えば気体の濃度を測定することを困難にする。関連する波長範囲にわたって本質的に同じ出力を有する広帯域光源が使用される場合、波長の変調は、光出力の変調につながらない。これは、ＷＯ２０１７／０８９６２４に詳細に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。

【0015】

波長変調は、窓及び壁から発生するオフセット信号につながらず（又は、少なくとも信号を大幅に低減し）、弱い信号を測定する方が簡単で、ドリフトの少ない（長期安定ゼロ点）センサを作る方が簡単である。

【0016】

以下、実施例により本発明を説明する添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】ファブリ・ペロー干渉計を作るための可能な方法の断面を示す。

【図2】本発明の一実施形態の断面を示す。

【図3】本発明の第２の実施形態の断面を示す。

【図4】本発明の第３の実施形態の断面を示す。

【図5】本発明の第４の実施形態の断面を示す。

【図6】本発明の第５の実施形態の断面を示す。

【図7】本発明の第６の実施形態の断面を示す。

【図8】本発明の第７の実施形態の断面を示す。

【図9】アクチュエータの可能な実施形態の例を示す。

【図10】アクチュエータの可能な第２の実施形態を示す。

【図11】容量性距離測定のための電極の可能な配置を示す。

【図12】アクチュエータの可能な第３の実施形態を示す。

【図13】アクチュエータの可能な第４の実施形態を示す。

【図14】アクチュエータの可能な第５の実施形態を示す。

【図15】アクチュエータの可能な第６の実施形態を示す。

【図16】アクチュエータの可能な第７の実施形態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は、波長を電気的に調整できるファブリ・ペローを作成するための既知の解決方法を示す。互いに対向する２つの鏡２、４が、それらを通過する光１００のための共振器を提供する。上部の鏡部４は、膜を介してフレームに取り付けられており、アクチュエータを用いて動きを提供する。機械的な動きは、圧電アクチュエータ３を使用して行われる。例えばＰＺＴである圧電アクチュエータ３は、例えばシリコンディスク／ウェハに機械加工されている膜上に取り付けられている。実装は、例えばＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｇｅｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はスパッタリングを用いて行うことができる。シリコン層上のＰＺＴの層が一緒になって、ユニモルフを構成する。ＰＺＴ層上に正の電圧を印加すると、それは、シリコン層が収縮しない間に収縮する。２つの材料が互いに固定されているので、ＰＺＴの収縮によりユニモルフが曲がり、圧電アクチュエータ３の電圧を変化させることにより、送信素子を上下に動かすことができる。光学素子が平坦であり、表面上に部分的に反射性かつ部分的に透過性なコーティング１を有する場合、及び、これが部分的に反射性で部分的に透過性なコーティング２でコーティングされた別の透過性表面と共に取り付けられる場合、及び、これらの２つの面がさらに平行である場合、これらの面１、２は、ファブリ・ペロー干渉計を構成する。２つの表面の間の距離を調整することにより、いずれの波長１００が送られるかを制御することができる。

【0019】

上述したように、図１のファブリ・ペロー干渉計は、シリコンから作ることができる。通常、２つのシリコンディスク／ウェハを使用する。図１の下側のシリコンウェハは、典型的には、ファブリ・ペロー干渉計の空隙内にミラーコーティング２を有し、鏡面１、２間の空隙の距離を効率的に測定するために、電極９、１０（図２）は、同じ表面上に配置されることが多い。空隙から離れて面するシリコンディスクの側面には、反射防止コーティングがしばしば使用される。図１から、上部シリコンディスクは、しばしばファブリ・ペロー干渉計の空隙に面するミラーコーティング１を有し、上部シリコンディスクは、下に熱い基板層及び上に薄い構成要素の層（デバイス）を有する、いわゆるＳＯＩディスクである。薄膜層と圧電層がユニモルフアクチュエータを構成する。光学素子４及びユニモルフアクチュエータは、通常、ドライエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて移動可能にマイクロマシン加工される。最後に、２つのディスクが共に取り付けられ、それらの間にスペーサブロックがあることもある。

【0020】

ファブリ・ペロー干渉計が分光器として機能するためには、２つの反射面が平行であることが必要である。それらが平行であることを確認するために、それらの平行度を制御するために多数のアクチュエータを使用することができる。図２は、フレームの近くの外側アクチュエータ５、８を使用して、鏡間の距離及び場合によっては平行度を制御する方法を示す。平行性及び距離は、静電容量型センサを使用して測定でき、ここでは、電極９及び１０としてマークされている。上部鏡４を含む上部素子は、例えば接地されており、静電容量を測定することにより、電極９、１０から上部素子までの距離を読み取ることができる。外側アクチュエータ５、８はまた、鏡間の距離を調整するために使用され、従って、この波長は、ファブリ・ペロー干渉計を介して送られる。次に、内側アクチュエータ６、７を使用して、波長の変調を適用することができる。この変調は、例えば周波数ｆの正弦変調（サイナスモデュレーション）であり、周波数は１０Ｈｚと１００ｋＨｚとの間であり得るが、典型的には１０と１０００Ｈｚとの間である。この変調は、フィルタを介して送られる波長を変調周波数で変化させ、周波数ｆ、２ｆ、３ｆ、４ｆ又はそれより高い周波数の倍数で信号を復調する高調波検出を使用することがよくある。高調波検出の利点は、ソース等からの振幅情報の変動が小さくなり、信号がソースの振幅等の変化に対して安定していることである。波長変調の振幅及び復調に使用される周波数ｆ（及び位相）の倍数は、測定されるべきスペクトル特性の幅並びに干渉成分の特性（既知のような）に典型的に依存する。変調振幅は、正弦関数であってもよく、例えばダイオードレーザ分光法で試験された三角波、矩形波、または他の変調振幅のような他の振幅形態を有してもよい。

【0021】

上記の例では、外側アクチュエータ５、８を使用して波長を調整し、内側アクチュエータ６、７を使用して波長を調整した。勿論、これは逆であってもよく、内側アクチュエータ６、７は、波長を調整するために使用され、外側アクチュエータ５、８は、波長を変調し得る。場合によっては、鏡を傾けるためにアクチュエータを使用し、送信信号の幅及び振幅を変えることによって変調が得られることが有利である。

【0022】

一実施形態では、例えば、外側アクチュエータ５、８を有するアクチュエータユニットは、波長を調整することができ、この波長調整は、例えば、周波数Ｆで繰り返される斜面（ランプ）を用いて実施することができる。周波数Ｆは通常、変調周波数ｆよりはるかに小さくなる。実際には、０．０１から１０Ｈｚの間の周波数Ｆを有する斜面（鋸歯）を使用することが多く、ここで例では、送信波長は、３マイクロメートルで開始し、波長は、時間と共に、例えばＦの各期間に６マイクロメートルまで直線的に増加する。７～１４マイクロメートルの波長範囲もまた、気体検出にとって非常に重要である。

【0023】

他の実施形態では、段階的に波長を調整することが有利である。次いで、典型的には、所与の用途に適した多数の波長を見いだし、次いで、第１の組のアクチュエータに第１の測定のための波長を適合させ、この波長を一定時間維持する一方で、異なる組のアクチュエータを使用して、周波数ｆに変調し、与えられた時間フレームの間、測定信号を復調する。次に、波長を次の位置に合わせる。変調が適応された波長の周りで対称である場合、鏡間の媒体間距離は変化せず、十分に長い時間フレームにわたって平均すると、測定された平均値は、変調によって実質的に影響されない。次に、図２の上部鏡までの距離を測定するために、電極９及び１０を使用することができる。

【0024】

変調で測定された距離が変調なしで測定された距離と異なる場合、変調振幅がスクイーズフィルム効果又はその他の妨害効果の影響を受けていることを示している可能性があり、これは、この挙動を系統的にマッピングして補正アルゴリズムを追加することによって修正することができる。これは通常、材料が強いヒステリシスを有するＰＺＴなどの圧電アクチュエータを使用する場合、及び変位の実際の振幅が先に印加された電圧の関数であり得る場合に関係する。

【0025】

変調がすなわちサイナスであるが、ＤＣ構成要素が付加される場合、変調信号は、ゼロと最大値Ａ（すなわち、Ａ×（１＋ｓｉｎ（ωｔ）））の間で変化し、測定された平均距離は、中心波長の推定値を与え、変調なしで測定された平均距離は、ゼロ変調時の波長の推定値を示し、これらの２つの数値を使用して、変調度の推定値を得ることができる。総変調度は、通常、変調の有無による波長差の２倍になる。これは、１組のアクチュエータを使用して波長を調整し、もう１組のアクチュエータを使用して変調を行う場合に有用である。

【0026】

図３は、上部鏡面１１の異なる載置を有する代替の実施形態を示す。鏡面１１、１２の一方又は両方をフォトニック結晶膜として形成することができる。いくつかの実施形態では、スクイーズフィルム効果を回避し、又は高周波での変調を減衰させることが興味深いことがある。鏡として使用されるフォトニック結晶膜は、大きな穿孔を有し、これらは、ファブリ・ペローキャビティの外側の空間にチャネルが存在することを証明する上部鏡１１によって図３で得ることができるスクイーズフィルム効果のためのリリーフチャネルとして構成されている。使用可能な他のタイプの鏡は、多層鏡（干渉フィルタ／ミラー）、金属鏡、フォトニック結晶に基づく鏡、表面プラズモンに基づく鏡、又は上記鏡の組合せに基づく鏡である。また、図３は、場合によっては、残った膜１１を有するように基板を除去することが有利であることも示す。

【0027】

図４は、上面のアクチュエータの組を使用して距離及び波長を調整する実施形態を示し、電極１３及び１４の組は、位置及び変調アクチュエータの両方として使用することができる。図２のように、上部シリコンディスクを接地し、ディスク間のインタフェースを絶縁することができる。

【0028】

図５は、第１の組のアクチュエータ１５及び１６が波長を調整するために使用され、第２の組のアクチュエータ１７及び１８が変調用に使用される実施形態を示す。または、第１の組と第２の組が機能を変更する可能性がある。図５の実施形態では、アクチュエータの組は、ファブリ・ペローギャップの各側（すなわち、上部ディスク上及び下部ディスク上）に配置される。２つの可動部は、異なる幅で形成されてもよく、外部の影響が本質的にそれらに同じ効果を有するように、同じ質量及びばね定数（または共振周波数）で有利に作られてもよい。

【0029】

図６は、上部ディスク膜上に取り付けられたアクチュエータ１５、１６を有する第１のアクチュエータユニットが波長を調整するために使用され、第１及び第２の組の電極１９、２０及び電極２１、２２を含む第２のアクチュエータユニットが、それらの組の間に電圧を印加して波長を変調するために使用される実施形態を示す。加えて、シリコンディスク間の距離、従って波長を測定するために使用される中心要素の下に２つの電極がある。第１の組の電極１９、２０に電圧を印加するが、第２の組２１、２２には電圧を印加しないことにより、ファブリ・ペローギャップを傾斜させることが可能であり、第１の組の電極１９、２０と同時に第２の組の電極２１、２２に電圧を印加することにより、ファブリ・ペローの空隙を収縮させることができる。方形電圧変調を加えることによって、２つの位置の間で波長が変化する２値変調が得られ、これは、微分分光法に適している。電極を完全に共に移動させ、スペーサでのみ分離することがしばしば好ましい。また、電極間の距離を、正弦波のような他の変調曲線形状で変調することもできるが、これは、引き込みに対する測定を必要とし、すなわち、電極が完全に共に引き出されることを必要とする。

【0030】

図７は、図６と同じ原理の別の実施形態を示すが、可動部及び膜の全てが同じ側にある。

【0031】

図８は、図６及び図７の実施形態の簡略化されたバージョンを示しており、可動部／領域の数が減少している。第１の組のアクチュエータ１５、１６は、波長を調整するために使用され、電極１９、２０、２１及び２２の組は、波長を変調するために使用される。さらに、電極２３及び２４の追加の組を使用して、ファブリ・ペロー干渉計の空隙の距離を測定する。このバージョンの利点は、可動部品が少なくて済むことであるが、機械的な移動の範囲が静電変調によって与えられ、波長の関数として変化するという欠点がある。いくつかの実施形態では、走査長による変調振幅の減少が妨害気体間でより良い分解能を与える場合には有利であるが、通常一定の変調振幅が好ましいことが多いため、通常は不利になる。

【0032】

図９及び図１０は、アクチュエータ２８、２９及び３０の組を使用して波長を調整する実施形態を示す。アクチュエータは、例えば、ＰＺＴ及びシリコンから作られるユニモルフであってもよい。ここでは、高さと平行度の両方を調整できるように３つのアクチュエータが使用されている。

【0033】

図１１は、下部ウェハの電極がどのように取り付けられているかを示している。高さと平行度の両方を測定するために３つの電極が使用される。電極は、可動光学素子４（鏡であるか）に近接するように取り付けられる。電極２５、２６及び２７は、図１１に示すように、図９のアクチュエータに対して回転するように、又はアクチュエータと同じ向きで取り付けられるように取り付けられる。最適なものは、使用されている制御及び調整アルゴリズムに依存する。図９では、アクチュエータ３１、３２及び３３の組を使用して波長を変調する。図１０では、１つのアクチュエータリング３４のみが変調に使用される。変調長は通常、ファブリ・ペロー干渉計の全調整長（範囲）に比べて非常に短いので、リングアクチュエータのみで良好な変調を得ることも可能である。ＰＺＴ材料としては、歪みや厚さが変動することが多いため、より広い波長範囲の調整が必要な場合は、複数のアクチュエータを使用する必要があることが判明した。図９では、変調又は波長調整に使用されるアクチュエータの組の間で容易に変更することができる。図１０では、変更することも可能であるが、あまり適切ではない。

【0034】

図１２の実施形態では、アクチュエータ３５、３６及び３７を有する３つのスパイラルアームが存在する。これらのスパイラル形状のアームは、有利には、シリコンウェハの全厚さで作られるか、又は、それらは上層（デバイス層）においてのみ作られ得る。アクチュエータがユニモルフタイプである場合、アクチュエータは、アーム全体をカバーするのではなく、１つの固定点からおよそ中央までカバーすることが望ましい。１組のアクチュエータ３５、３６及び３７は、有利には波長を調整するために使用され、他方の組のアクチュエータ３８、３９及び４０は、波長変調に使用されるのが有利であるが、アクチュエータの組の間の機能性を変更することが可能である。

【0035】

図１３は、アクチュエータが３つのビーム上に位置する実施形態を示す。ビームは、図に示すように、全長又は縮小幅にわたって同じ幅にすることができる。アクチュエータ４４、４５及び４６の組は、変調のために使用され、他の組４１、４２及び４３は、波長を調整するために使用され、又は他の方法で使用され得る。

【0036】

図１４は、アクチュエータの各セットが４つの要素からなるが、膜が開かない（穴を有する）実施形態を示し、図１５は、４つのビームを有する対応する構成要素を示す。図１４の解決方法の利点は、処理が容易であることであり、欠点は、ユニモルフの同じアクチュエータ及びシリコン層の厚さで、機械的振幅範囲が小さくなることである。図１６は、長いアクチュエータアームを有する実施形態を示し、アクチュエータ６３、６４、６５及び６６は、波長を調整するのに適しており、短いアクチュエータ６７、６８、６９及び７０は、変調（短くて速い）に適している。

【0037】

上記の全ての実施形態において、アクチュエータの内側及び外側の組の機能を切り替えることが可能であり、内側及び外側のアクチュエータにおいて異なるシリコン厚さを使用することが可能であり、内側及び外側のアクチュエータの圧電材料（使用されるている場合）の厚さを変更することが可能である。薄い圧電材料の使用は、曲げの際に圧電材料がより少ない機械的応力に晒されるので、変調に使用されるアクチュエータにおいて有利である。変調長も短くなるが、歪みが少ないという利点は、欠点に比べて大きくなる可能性がある。また、アクチュエータ上の圧電材料の歪みを調整して変調することも可能である。これは、例えば、関連する領域で材料が異なる方法で成長することを確認することによって行うことができ、これは、ＰＺＴ結晶の成長の開始条件を変更することによって行うことができる。

【0038】

図面において、中央の光学素子４は、円形又は正方形のいずれかであるが、この素子は、他の適切な形状を有することができることは勿論である。この実現化は、主に光源や他の光学系の形状に依存する。

【0039】

図面及び明細書では、アクチュエータ自体についてのみ説明した。すべてのアクチュエータ及び電極は、周囲（及び駆動用電子機器）と電気的に接続されている。距離を測定するために容量性センサを使用すると、余分な距離を固定することが特に有利であり、すなわち、温度、圧力、湿度、並びに静電容量及び距離測定に影響を与える可能性のある他の影響を補償するためのダミー容量を固定することが特に有利である。

【0040】

纏めると、本発明は、フレームに取り付けられた２つの平坦な鏡面を含み、鏡面間の距離が既知であり、鏡面の少なくとも１つが部分的に反射性であり部分的に反射性であり、それによって共振器を提供する、ファブリ・ペロー干渉計に関するものである。干渉計は、少なくとも２つのアクチュエータユニットが設けられ、各アクチュエータユニットは、少なくとも１つのアクチュエータを含み、第１のアクチュエータユニットは、前記鏡間の前記距離を調整し、それによって、鏡間の基本距離、従ってベース波長を規定する。第２のアクチュエータユニットは、選択された周波数で前記距離を変調するように適合され、この運動は、好ましくは、前記第１のアクチュエータユニットによって行われる調整よりも小さい振幅を有する。２つのアクチュエータユニットは共に、ファブリ・ペロー干渉計のフィルタリングされた波長の範囲に対応する鏡距離の範囲にわたって変動を与える。前記鏡の少なくとも１つは、シリコン膜を介してフレームに関連し、前記アクチュエータユニットの少なくとも１つは、前記膜上に圧電材料を含み、それによって、バイモルフ又はユニモルフアクチュエータユニットを構成する。

【0041】

両方のアクチュエータユニットは、バイモルフ又はユニモルフであってもよく、または第２のアクチュエータユニットは、例えば、静電力を利用してもよい。異なるタイプのアクチュエータは、異なる特性を有するため、例えば、ＰＺＴアクチュエータユニットを一般的な波長制御に使用し、静電力を用いて変調を適用することができる。

【0042】

変調及び調整は、フィルタの光軸に対して平行移動し、フィルタリングされた波長は、前後に走査される。変調は、好ましくはサイナスであり、調整され、フィルタリングされた波長は、斜面で調整され、その結果、波長は、例えば３～６マイクロメートル又は７～１４マイクロメートルの範囲内の特定の範囲内で調整される。あるいは、変調の動きは、非平行であり、従って、適用された変調において、スペクトルが連続的により広く、より狭くなるように、鏡面の間に可変の角度を適用する。

【0043】

アクチュエータユニットの異なる位置が考えられる。第１のアクチュエータユニット及び第２のアクチュエータユニットは、ファブリ・ペロー干渉計の同じ鏡を移動させるように配置され、異なる半径方向位置で両方が膜に取り付けられてもよく、又は第２のアクチュエータユニットが、例えば静電アクチュエータであってもよい。あるいは、第１のアクチュエータユニットは、ファブリ・ペロー干渉計の１つの鏡を移動させ、他のアクチュエータユニットは、ファブリ・ペロー干渉計の第２の鏡を移動させる。

【0044】

フィルタリングされた波長に対応する鏡距離は、選択された領域間の静電容量を測定し、波長位置に対して負のみ又は正のみの位置を変調に適用することによって測定することができ、変調度は、測定することができる。

【0045】

鏡は、異なるタイプの誘電体、金属層で作られ、又はフォトニック結晶膜で構成され、又は表面プラズモンに基づくものでもよい。

【0046】

膜は、好ましくは、ＰＺＴ素子又は対応する素子が取り付けられたときに制御された特性を提供するために、１つのプロセスで作られる。用途に応じて、膜は開口部を有してもよく、バイモルフ又はユニモルフアクチュエータは、フレームから鏡に延びる膜アーム上に配置される。アームは、軸方向又は他の解決策を有することができる。

【0047】

本発明はまた、適用された変調と波長による実際の変調変化との間の位相差を検出するための手段を含む、上述のファブリ・ペロー干渉計を含むシステムに関し、例えば、スクイーズフィルム効果のために、このシステムは、適用された変調の振幅及び場合によっては位相を変更することによって補償するように適合されている。

【0048】

上述したように、本発明によるファブリ・ペロー干渉計の好ましい用途は、光音響検出器にある。

【符号の説明】

【0049】

１ ミラーコーティング
２ 鏡
３ 圧電アクチュエータ
４ 鏡
５ 外側アクチュエータ
６ 内側アクチュエータ
７ 内側アクチュエータ
８ 外側アクチュエータ
９ 電極
１０ 電極
１１ 鏡面
１２ 鏡面
１３ 電極
１４ 電極
１５ アクチュエータ
１６ アクチュエータ
１７ アクチュエータ
１８ アクチュエータ
１９ 電極
２０ 電極
２１ 電極
２２ 電極
２３ 電極
２４ 電極
２５ 電極
２６ 電極
２７ 電極
２８ アクチュエータ
２９ アクチュエータ
３０ アクチュエータ
３１ アクチュエータ
３２ アクチュエータ
３３ アクチュエータ
３４ アクチュエータリング
３５ アクチュエータ
３６ アクチュエータ
３７ アクチュエータ
３８ アクチュエータ
３９ アクチュエータ
４０ アクチュエータ
４１ アクチュエータ
４２ アクチュエータ
４３ アクチュエータ
４４ アクチュエータ
４５ アクチュエータ
４６ アクチュエータ
６３ アクチュエータ
６４ アクチュエータ
６５ アクチュエータ
６６ アクチュエータ
６７ アクチュエータ
６８ アクチュエータ
６９ アクチュエータ
７０ アクチュエータ
１００ 光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9-12】

【図13-16】