JP2014167503A

JP2014167503A - エタロン

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Publication number: JP2014167503A
Application number: JP2013038615A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Wakabayashi; 小太郎若林; Yukiko Furukata; 由紀子古堅; Shiori Miyazaki; 詩織宮崎
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP6071643B2

Abstract

【課題】波長温度特性の変化を軽減する。
【解決手段】２つ一対の透明部材の間に環状の中空部材と環状の金属薄板部材とが挟まれた状態で接合されて構成されるエタロンであって、中空部材側を向く面に金属膜が設けられる透明部材と、透明部材側を向く面に金属膜が設けられている環状の中空部材と、中空部材と接合される環状の金属薄板部材と、を備えて構成され、透明部材の間に接合される中空部材と金属薄板部材と金属膜との厚みの総和の、所定の熱雰囲気における中空部材と金属薄板部材と金属膜との単位温度当たりの膨張する長さの総和に対する比率と、屈折率温度係数との積が１又は１に近似となることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器に用いられるエタロンに関する。

従来より、光通信、測定機器、半導体レーザなどの光学機器にはエタロンが用いられている。
このエタロンは、キューブ状に形成されたソリッド型と平行平板となる透明部材の間に中空部材を接合して構成されるエアギャップ型とがある。
これらエタロンは、光学機器において、光が通過する経路内に設けられており、光の進行方向とエタロンの長さ方向とを一致させて用いられる（例えば、特許文献１参照）。このようなエアギャップ型のエタロンは、波長温度特性を考慮して、透明部材の間に設けられる中空部材の長さが決められている。

特許２８３５０６８号公報

しかしながら、従来のエタロンは、温度変化により使用雰囲気中の屈折率と中空部材の厚みが変化して共振器長が変化し、これにより波長温度特性が変化することが懸念される。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、温度変化が起きても波長温度特性が変化しにくいエタロンを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、２つ一対の透明部材の間に環状の中空部材と環状の金属薄板部材とが挟まれた状態で接合されて構成されるエタロンであって、前記中空部材側を向く面に金属膜が設けられる前記透明部材と、前記透明部材側を向く面に金属膜が設けられている環状の前記中空部材と、前記中空部材と接合される環状の前記金属薄板部材と、を備えて構成されることを特徴とする。

また、本発明は、前記金属薄板部材が金からなることを特徴とする。

また、本発明は、前記透明部材の間に接合される前記中空部材と前記金属薄板部材と前記金属膜との厚みの総和の、所定の熱雰囲気における前記中空部材と前記金属薄板部材と前記金属膜との単位温度当たりの膨張する長さの総和に対する比率と、屈折率温度係数との積が１又は１に近似となることを特徴とする。

このようなエタロンによれば、温度変化により使用雰囲気中の屈折率が変化しても、透明部材に挟まれる中空部材と金属薄板部材と金属膜とが屈折率の変化を補正するように共振器長の変化に対応して変化することができるので、波長温度特性を変化しにくくすることができる。

また、金属薄板部材が金からなることにより、温度変化への対応が良く熱膨張による共振器長の変化に対応しやすくすることができる。
また、前記透明部材の間に接合される前記中空部材と前記金属薄板部材と前記金属膜との厚みの総和の、所定の熱雰囲気における前記中空部材と前記金属薄板部材と前記金属膜との単位温度当たりの膨張する長さの総和に対する比率と、屈折率温度係数との積が１又は１に近似となるように構成したので、雰囲気温度における屈折率と熱膨張における伸び量の比率が一致するので、熱膨張で共振器長が変化しても波長温度特性を変化しにくくすることができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係るエタロンの一例を示す斜視図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係るエタロンの一例を示す断面図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の実施形態に係るエタロン１０は、２つ一対の透明部材１１、中空部材１２、金属薄板部材１３、金属膜１１ｃ，金属膜１２ａで主に構成されている。

透明部材１１は、例えば、ガラスや水晶などの無色透明の材料が用いられ、また、２つ一対で用いられる。これら透明部材１１は、所定の厚さの平行平板に形成されており、例えば、平面視で四角形状に形成されている。これら２つの透明部材１１の向かい合う主面の間が共振器長Ｌ（図１（ｂ）参照）となる。また、これら透明部材１１は、一方の主面に反射防止膜１１ａが設けられ、他方の主面に反射膜１１ｂが設けられている。なお、主面という場合は、光が入射・出射する面を主面とする。
なお、透明部材１１は、ウエッジ形状に形成されていても良い。ウエッジ形状に形成されたこの透明部材１１は、１１ａ面が１１ｂ面に対して傾斜した構成となっている。このように透明部材１１を構成すると、１１ａ面からの不要な反射を防ぐことが出来る。
なお、反射防止膜１１ａは、例えば、従来周知の蒸着により透明部材１１の一方の主面に設けられる。また、反射膜１１ｂは、例えば、従来周知の蒸着により透明部材１１の他方の主面に設けられる。

なお、反射膜１１ｂは、中空部材１２側を向く主面に設けられる。また、反射防止膜１１ａは、反射膜１１ｂとは反対側の主面に設けられる。よって、透明部材１１を中空部材１２に接合した状態では、外側に反射防止膜１１ａが設けられ、接合により挟まれる位置に反射膜１１ｂが設けられている。
この反射膜１１ｂの上には、環状に金属膜１１ｃが設けられる。よって、透明部材１１の中空部材１２側を向く面には金属膜１１ｃが設けられた状態となる。この金属膜１１ｃは、例えば、下地金属膜がクロム、主金属膜が金で構成されており、フォトリソグラフィ技術とスパッタ技術や蒸着技術で環状に設けることができる。

中空部材１２は、例えば石英ガラスが用いられ、図１（ｂ）に示すように、例えば、環状に形成されており、内部の空間の中心を中心軸線Ｃとしたとき、この中心軸線Ｃに沿って環が厚みを有している。この中空部材１２は、中心軸線Ｃに対して直交する方向に切断した断面が四角形の環状の断面となっている。つまり中空部材１２は、この四角形の環状の断面を維持したまま厚みを有した構造となっている。
なお、断面は、円環の断面でもよい。

中空部材１２は、この板の所定の位置をウェットエッチングにより貫通部が形成され、外形形状に沿って加工することにより環状に形成される。環状の形状は、円環形状や四角い環状の形状となっていても良い。
例えば、ウェットエッチングを用いて貫通部を形成する場合は、中空部材１２となる中空部材ウェハ（図示せず）の表面にレジストを設け、所定のパターンで露光し、現像を行って中空部材ウェハの表面を露出させ、中空部材ウェハの露出した部分をウェットエッチングで除去して貫通部を形成する。なお、ドリルなどの穿孔により貫通部を設けても良い。

この四角形の環状の断面は、中心軸線Ｃ方向から見ると、中空部材１２の端面の形状と同一となっている。したがって、中空部材１２の端面は、四角形の環状の形状となっており、両側のこの端面に金属膜１２ａが設けられる。また、中空部材１２は、透明部材１１側を向く面、つまり、前記端面が透明部材１１の方を向いた状態で用いられる。

金属薄板部材１３は、例えば、所定の厚さの金（Ａｕ）からなり環状に形成されている。この金属薄板部材１３は、例えば、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成することができる。金属薄板部材１３となる金属薄板部材ウェハ（図示せず）にレジストを設け、所定のパターンで露光し、現像を行って金属薄板部材ウェハの表面を露出させ、金属薄板部材ウェハの露出した部分をウェットエッチングで除去して貫通部を形成する。これにより金属薄板部材を形成することができる。
この金属薄板部材１３は、前記中空部材１２の一方の端面に接合されている。つまり、金属薄板部材１３は、中空部材１２に設けられた金属膜１２ａに接合されている。

このように構成されるエタロン１０は、一方の透明部材１１の金属膜１１ｃと中空部材１２の金属膜１２ａとが接合され、他方の透明部材１１の金属膜１１ｃと金属薄板部材１３とが接合され、中空部材１２の金属膜１２ａと金属薄板部材１３とが接合された状態となっている。

例えば、本発明の実施形態に係るエタロン１０は、以下のように製造される。
一方の主面に反射防止膜１１ａが設けられ他方の主面に反射膜１１ｂが設けられた透明部材１１となる透明部材ウェハ（図示せず）に金属膜１１ｃを設け、透明部材ウェハの金属膜１１ｃと金属薄板部材ウェハとを重ねて原子拡散接合により接合する。次に、中空部材１２となる中空部材ウェハに貫通部を形成して表面に金属膜１２ａを形成する。環状の面となる両端部に金属膜１２ａが設けられた中空部材１２となる中空部材ウェハを透明部材ウェハと接合された金属薄板部材ウェハを重ねて原子拡散接合により接合する。一方の主面に反射防止膜１１ａが設けられ他方の主面に反射膜１１ｂが設けられた透明部材１１となる他の透明部材ウェハ（図示せず）に金属膜１１ｃを設け、この透明部材ウェハの金属膜１１ｃと中空部材ウェハとを重ねて原子拡散接合により接合する。中空部材ウェハに設けられた貫通部の間を切断して個々のエタロン１０を形成する。

ここで、透明部材１１の金属膜１１ｃと中空部材１２の金属膜１２ａと金属薄板部材１３との厚みをｄ１、中空部材１２の厚みをｄ２、透明部材１１の金属膜１１ｃと中空部材１２の金属膜との厚みをｄ３、厚みｄ１の熱膨張係数をα１、厚みｄ２の熱膨張率をα２、厚みｄ３の熱膨張率をα３、屈折率の熱膨張係数を（ｄｎ／ｄＴ）、空気の屈折率をｎとしたとき、透明部材１１の金属膜１１ｃの厚み、中空部材１２の金属膜１２ａの厚み、金属薄板部材の厚み、中空部材１２の厚み、は、以下の式１又は式２を満たす値で用いられる。
（ｄｎ／ｄＴ）×（（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／（ｎ×α１×ｄ１＋ｎ×α２×ｄ２＋ｎ×α３×ｄ３））＝１式１
（ｄｎ／ｄＴ）×（（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／（ｎ×α１×ｄ１＋ｎ×α２×ｄ２＋ｎ×α３×ｄ３））≒１式２
ｄ１＋ｄ２＋ｄ３は、２つの透明部材１１の金属膜１１ｃの厚みと中空部材１２の２面に設けられた金属膜１２ｃの厚みと中空部材１２の厚みと金属薄板部材１３との合計を意味する。
ｎ×α１×ｄ１とｎ×α２×ｄ２とｎ×α３×ｄ３とは、屈折率ｎにおける熱膨張での伸縮量を意味している。
よって、式１は、透明部材１１の間に接合される中空部材１２と金属薄板部材１３と金属膜１１ｃ，１２ａとの厚みの総和の、所定の熱雰囲気における中空部材１２と金属薄板部材１３と金属膜１１ｃ，１２ａとの単位温度当たりの膨張する長さの総和に対する比率と、屈折率温度係数との積が１となることを意味する。
つまり、式１は、屈折率温度係数と透明部材１１の間に介在する部材の屈折率ｎにおける膨張比率の逆数との積が１となる。よって、所定の熱雰囲気で共振器長Ｌが変化してＬ´となっても、透明部材１１の間に介在する各部材が熱膨張により伸縮するため、変化した共振器長Ｌ´に対応した厚みに中空部材１２と金属薄板部材１３と金属膜１１ｃ，１２ａが変化した状態となる。
なお、所定の熱雰囲気での熱膨張の割合が不均一となっても、式２のように、「１」に近い値であれば、共振器長Ｌの変化に追従した中空部材１２と金属薄板部材１３と金属膜１１ｃ，１２ａの変化とみなすことができる。

このように、本発明のエタロン１０を、ｄ１、ｄ２、ｄ３を決定して透明部材１１の金属膜１１ｃの厚み、中空部材１２の金属膜１２ａの厚み、金属薄板部材１３の厚み、中空部材１２の厚みを決定したので、温度変化により使用雰囲気中の屈折率が変化しても、透明部材１１に挟まれる中空部材１２と金属薄板部材１３と金属膜１１ｃ，１２ａとが屈折率の変化を補正するように変化することができ、共振器長Ｌの変化に対応して波長温度特性を変化しにくくすることができる。

また、金属薄板部材１３が金からなることにより、温度変化への対応が良く共振器長Ｌの変化に対応しやすくすることができる。
また、透明部材１１の間に接合される中空部材１２と金属薄板部材１３と金属膜１１ｃ，１２ａとの厚みの総和の、所定の熱雰囲気における中空部材１２と金属薄板部材１３と金属膜１１ｃ，１２ａとの単位温度当たりの膨張する長さの総和に対する比率と、屈折率温度係数との積が１又は１に近似となるように構成したので、雰囲気温度における屈折率と熱膨張における伸び量の比率が一致するので、熱膨張による共振器長Ｌの変化に対応させることができるので波長温度特性を変化しにくくすることができる。

次に比較例と実施例について説明する。
まず、比較例１は、以下の状態となっている。
屈折率温度係数ｄｎ／ｄＴをｄｎ／ｄＴ＝−８．４×１０^−７とする。
金属薄板部材１３と透明部材１１の金属膜１１ｃと中空部材１２の金属膜１２ａの厚みｄ１が、１５０ｎｍ、
中空部材１２の厚みｄ２がｄ２＝２９９３３００ｎｍ、
透明部材１１の金属膜１１ｃと中空部材１２の金属膜１２ａの厚みｄ３がｄ３＝５０ｎｍ、
となっている。
中空部材１２について、石英ガラスの熱膨張係数α２は、α２＝４．９×１０−７となる。中空部材１２の内部に空気が入っている。このとき、空気の屈折率ｎをｎ＝１．０００３とする。
透明部材１１に設けられる金属膜１１ｃと中空部材１２に設けられる金属膜１２ａは、材質が金（Ａｕ）であり、金の熱膨張係数α１，α３をα１＝α３＝１．４×１０−５とする。なお、金属膜の下地金属膜は極めて薄いので考慮しなくても良い。

このとき、前記式１に各値を代入して計算を行うと、
式１＝（ｄｎ／ｄＴ）×（（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／（ｎ×α１×ｄ１＋ｎ×α２×ｄ２＋ｎ×α３×ｄ３））
＝１．７
となり、式１＝１とはならない。
また、式２≒１の適用もできない状態となる。
このときの、波長温度係数は０．５５（ｐｍ／℃）となり、このようなエタロンは、熱の影響を受けて共振器波長の変化と、中空部材と金属薄板部材と金属膜とが熱膨張による変化とが一致しなかったために、波長温度係数が悪くなったと考察できる。

次に実施例１は以下の状態となっている。
屈折率温度係数ｄｎ／ｄＴをｄｎ／ｄＴ＝−８．４×１０^−７とする。
金属薄板部材１３と透明部材１１の金属膜１１ｃと中空部材１２の金属膜１２ａの厚みｄ１が、７５９５０ｎｍ、
中空部材１２の厚みｄ２がｄ２＝２９１７５００ｎｍ、
透明部材１１の金属膜１１ｃと中空部材１２の金属膜１２ａの厚みｄ３がｄ３＝５０ｎｍ、
となっている。
中空部材１２について、石英ガラスの熱膨張係数α２は、α２＝４．９×１０^−７となる。中空部材１２の内部に空気が入っている。このとき、空気の屈折率ｎをｎ＝１．０００３とする。
透明部材１１に設けられる金属膜１１ｃと中空部材１２に設けられる金属膜１２ａは、材質が金（Ａｕ）であり、金の熱膨張係数α１，α３をα１＝α３＝１．４×１０^−５とする。なお、金属膜の下地金属膜は極めて薄いので考慮しなくても良い。

このとき、前記式１に各値を代入して計算を行うと、
式１＝（ｄｎ／ｄＴ）×（（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／（ｎ×α１×ｄ１＋ｎ×α２×ｄ２＋ｎ×α３×ｄ３））
＝１．０
となり、式１＝１となる。
このときの、波長温度係数は０．０１（ｐｍ／℃）となり、このようなエタロンは、熱の影響を受けて共振器波長の変化と、中空部材と金属薄板部材と金属膜とが熱膨張による変化とが一致ししたため、波長温度係数の変化が軽微なものとなったと考察できる。

１０エタロン
１１透明部材
１１ｃ金属膜
１２中空部材
１２ａ金属膜
１３金属薄板部材

Claims

２つ一対の透明部材の間に環状の中空部材と環状の金属薄板部材とが挟まれた状態で接合されて構成されるエタロンであって、
前記中空部材側を向く面に金属膜が設けられる前記透明部材と、
前記透明部材側を向く面に金属膜が設けられている環状の前記中空部材と、
前記中空部材と接合される環状の前記金属薄板部材と、
を備えて構成されることを特徴とするエタロン。
前記金属薄板部材が金からなることを特徴とする請求項１に記載のエタロン。
前記透明部材の間に接合される前記中空部材と前記金属薄板部材と前記金属膜との厚みの総和の、所定の熱雰囲気における前記中空部材と前記金属薄板部材と前記金属膜との単位温度当たりの膨張する長さの総和に対する比率と、
屈折率温度係数との積が１又は１に近似となることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエタロン。