JP4461491B2 - 光学位相調整板 - Google Patents

Description

本発明は、熱光学効果により透過光に対する屈折率を変化させることができる光学基板にヒータを貼り付け、その熱応答で前記透過光の光路長を調整する光学位相調整板に関するものである。

光学位相調整板は、空間光学系の光路長の微小な調整を可能にする調整板であり、マイケルソン型干渉計、マッハツェンダー型干渉計等の位相調整手段として用いられる。マイケルソン型干渉計、マッハツェンダー型干渉計を備える復調器については、特許文献１に技術開示がある。

図５は、マイケルソン型干渉計に適用された光学位相調整板の動作を説明する機能ブロック図である。マイケルソン型干渉計５００は、ビームスプリッタ５０１及び平面ミラー５０２，５０３を備える。

ビームスプリッタ５０１は、ガラス基板５０１ａ上に誘電体多層膜５０１ｂを形成してなる平板上の部材であり、所定の角度（４５°）で入射する入射光Ｌ５００を反射すると共に、透過させて所定の強度比（１：１）を有する分岐光Ｌ５０１，Ｌ５０２に分岐する。

このビームスプリッタ５０１は、平面ミラー５０２，５０３の夫々で反射された前記分岐光Ｌ５０１，Ｌ５０２を合波して干渉させると共に、干渉により得られた干渉光を所定の強度比（１：１）で分岐する。

このような構成において、分岐光Ｌ５０２の光路長よりも分岐光Ｌ５０１の光路長が所定長だけ長くなるように平面ミラー５０２，５０３の位置決めされている。このため、分岐光Ｌ５０１は分岐光Ｌ５０２に対して所定時間だけ遅延する。

その後これら分岐光がビームスプリッタ５０１で合波されて干渉されることにより、分岐光Ｌ５０２と所定時間遅延した分岐光Ｌ５０１との位相比較が行われ、その比較結果に応じた強度を有する干渉光が出力光Ｌ５０３，Ｌ５０４として出力される。

本出願の主題である光学位相調整板は、温度変動による遅延時間変動を補償する目的等で、ビームスプリッタ５０１と平面ミラー５０２の間に挿入され、分岐光Ｌ５０１の光路長さ、即ち遅延時間を微調整して空間光学系の光路の位相調整を実行する。

光学位相調整板の具体的な構成は、熱光学効果で屈折率を変えることのできるシリコン等の光学基板１上にチップヒータ２を貼り付けた形態を備える。位相調整手段３からの制御電流Ｉによりチップヒータ２を過熱させ、光学基板１の熱応答により透過する分岐光Ｌ５０１の光路長を調整する。

図６は、チップヒータを用いる従来の光学位相調整板の斜視図である。シリコン等の光学基板１上の透過光位置より外れた所定位置に、チップ部品として市販されているチップヒータ２を接着固定した形状である。

図７は、従来の光学位相調整板を実装する光学機器の側面図である。断面で示したパッケージ４の底部に形成された取り付け部４ａに光学基板１が取り付けられている。この光学基板１を挟んでビームスプリッタや平面ミラー等の光学部品５，６が取り付けられ、これら光学部品間の光路Ｌの途中に光学基板１が光路に直交して配置されている。

光学基板１に貼付されたチップヒータ２には、パッケージ４内の中空部に配置される細銅線等のワイヤーを介してパッケージ側部４ｂに形成された電流入力端子８に配線され、加熱用の電流Ｉが供給されている。

特開２００７−１５１０２６号公報

従来の光学位相調整板の構造では、次のような問題がある。
（１）チップヒータへの配線は、細銅線等で空中を通して電力を供給する必要がある。光の経路を通らずに配線するためには、パッケージ内で配線する空間の確保や、配線がゆれないように固定する突起物等の信頼性を確保する機構が必要であり、パッケージ内の構造が煩雑となり、コストアップの要因となる。

（２）チップヒータを用いると、ヒータを設置する体積だけ光学基板は大きくなる。更に
チップヒータの体積分だけ熱容量が大きくなり、位相調整の応答性が悪くなり、消費電力が大きくなる。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、高速な応答性並びに低消費電力を実現できると共に、パッケージ内の構造を簡素化可能な電力供給経路を備える光学位相調整板の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）熱光学効果により透過光に対する屈折率を変化させることができる光学基板にヒータを貼り付け、その熱応答で前記透過光の光路長を調整する光学位相調整板において、
前記光学基板の面上に形成された薄膜ヒータと、
前記光学基板の面に対して略直交する面に配置された、前記薄膜ヒータへの配線部材と、
前記光学基板と前記配線部材との間に配置され、直交して隣り合う第１面と第２面が金属メッキされた角型の中継部材と、
前記薄膜ヒータと略同一平面にある前記中継部材の第１面とを結合する第１ワイヤーボンディングと、
前記配線部材と略同一平面にある前記中継部材の第２面とを結合する第２ワイヤーボンディングと、
を備えることを特徴とする光学位相調整板。

（２）前記光学基板は、前記透過光の入射面及び出射面に反射防止膜を備えることを特徴とする（１）に記載の光学位相調整板。

（３）前記配線部材及び前記中継部材は、コバール材によるパッケージに固定配置されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の光学位相調整板。

（４）前記配線部材は、金メッキされたアルミナ材により形成されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の光学位相調整板。

（５）前記中継部材は、直交する隣り合う前記第１面及び第２面が金メッキされたアルミナ材により形成されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の光学位相調整板。

（６）前記薄膜ヒータは、前記光学基板の面上において前記透過光の入出射位置よりシフトした所定面積を囲んで形成されていることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の光学位相調整板。

（７）前記薄膜ヒータは、前記光学基板の面上において前記透過光の入出射位置よりシフトした周縁部を囲んで形成されていることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の光学位相調整板。

（８）前記光学基板は、マイケルソン型干渉計またはマッハツェンダー型干渉計の位相調整手段であることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の光学位相調整板。

本発明の構成によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）薄膜ヒータを用いることで、ヒータ機能の体積をほとんど無視することができるため、低消費電力で調整可能な光学位相調整板を実現することができる。

（２）光路以外の部分を薄膜ヒータで囲うことにより、チップヒータに比較して熱応答時間を高速化することができる。

（３）中継部材の導入により、直交方向の配線が可能となり、電子回路で一般的に使用されているワイヤーボンディングで配線することができ、配線の信頼性を確保することができる。

（４）空間光学系を用いた干渉計の位相調整を高速に行うことが可能となる。

（５）パッケージにコバール材を用いて場合、パッケージに取り付け配置される配線部材及び中継部材として金メッキされたアルミナ材を用いることで、パッケージとの熱膨張係数を合わせこむことができるので、温度変動に対する光路長変動を最小に維持することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した光学位相調整板を実装する光学機器の一実施形態を示す側面図である。図７で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

従来構成と同様に、パッケージ４の底部に形成された取り付け部４ａに光学基板１００が取り付けられている。この光学基板１００を挟んでビームスプリッタや平面ミラー等の光学部品５，６が取り付けられ、これら光学部品間の光路Ｌの途中に光学基板１００が光路に直交して配置されている。

光学基板１００に蒸着または半導体プロセスで形成された薄膜ヒータ２００は、パッケージ４の底部に光学基板１００の面と略直交して固定配置された配線部材３００より、中継部材４００を介してパッケージ側部４ｂに形成された電流入力端子８に配線され、加熱用の電流Ｉが供給されている。

尚、光学基板１００の面は、透過光と反射光の入射位置ずらすために、水平面に対して９０度より数度（３度程度）傾けて配置されている。従って、光学基板１００の面とパッケージ底部に水平固定配置された配線部材３００とは厳密な直交関係ではないが、ワイヤーボンディングの対象しては実質的に直交関係である。

光位相調整機能を有する光学基板１００は、温度によって屈折率が変化する材質（例えば、シリコン）を用いて、光入出射面にはTa2O5等で構成された反射防止膜を施したものを用いる。薄膜ヒータ２００としては、NiCrやPt等、抵抗体になるものを用いる。

図２は、本発明の要部構成を拡大して示す側面図である。中継部材４００は、直交して隣り合う第１面４００ａと第２面４００ｂが金メッキされたアルミナの角材である。薄膜ヒータ２００と略同一平面にある前記中継部材の第１面４００ａとが、第１ワイヤーボンディングＢ１で配線結合されている。

更に、配線部材３００と略同一平面にある中継部材４００の第２面４００ｂとが、第２ワイヤーボンディングＢ２で配線結合されている。配線部材３００も、中継部材と同様に上面３００ａを金メッキしたアルミナ部材で構成されている。

本発明の実装構造の特徴の第１は、隣り合う面に金メッキされたアルミナの角材を中継部材として導入することにより、水平方向にしか配線できない一般的なワイヤーボンディング装置を用いて直交する薄膜ヒータ２００の面と配線部材３００の面をワイヤーボンディングで立体的に結合配線することを可能としている点にある。

本発明の実装構造の特徴の第２は、パッケージにコバール材を用いて場合、パッケージに取り付け配置される配線部材及び中継部材として金メッキされたアルミナ材を用いることで、パッケージとの熱膨張係数を合わせこむことができる。

図３は、薄膜ヒータ２００の形成例を示す光学基板の平面図である。図３（Ａ）は、光学基板１００の面上で透過光の入出射位置よりシフトした箇所の所定面積を囲んで形成されている例を示す。図３（Ｂ）は光学基板１００の面上の周縁部を囲んで形成されている例を示す。

図４は、従来構成に対する本発明構成の効果を説明する温度応答特性図である。ステップ的な加熱電流の変化に対する熱応答特性を示し、Ｆ２で示すチップヒータによる従来構造に対して、Ｆ１で示す薄膜ヒータ構造では、矢印Ｐに示すように大幅に応答時間が短縮され、高速の位相調整を可能としている。

以上、実施例で説明した本発明の光学位相調整板は、空間光学系において光路長の微小な調整を可能にする調整板であり汎用性を有するものであるが、小型，高性能を求められるマイケルソン型干渉計やマッハツェンダー型干渉計等の位相調整手段として有効に用いることができる。

本発明を適用した光学位相調整板を実装する光学機器の一実施形態を示す側面図である。 本発明の要部構成を拡大して示す側面図である。 薄膜ヒータの形成例を示光学基板の平面図である。 従来構成に対する本発明構成の効果を説明する温度応答特性図である。 マイケルソン型干渉計に適用された光学位相調整板の動作を説明する機能ブロック図である。 チップヒータを用いる従来の光学位相調整板の斜視図である。 従来の光学位相調整板を実装する光学機器の側面図である。

符号の説明

４ パッケージ
４ａ 光学基板取り付け部
５，６ 光学部品
８ ヒータ電流入力端子
１００ 光学基板
２００ 薄膜ヒータ
３００ 配線部材
４００ 中継部材
Ｂ１，Ｂ２ ワイヤーボンディング

Claims (8)

1. 熱光学効果により透過光に対する屈折率を変化させることができる光学基板にヒータを貼り付け、その熱応答で前記透過光の光路長を調整する光学位相調整板において、
   前記光学基板の面上に形成された薄膜ヒータと、
   前記光学基板の面に対して略直交する面に配置された、前記薄膜ヒータへの配線部材と、
   前記光学基板と前記配線部材との間に配置され、直交して隣り合う第１面と第２面が金属メッキされた角型の中継部材と、
   前記薄膜ヒータと略同一平面にある前記中継部材の第１面とを結合する第１ワイヤーボンディングと、
   前記配線部材と略同一平面にある前記中継部材の第２面とを結合する第２ワイヤーボンディングと、
   を備えることを特徴とする光学位相調整板。
2. 前記光学基板は、前記透過光の入射面及び出射面に反射防止膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学位相調整板。
3. 前記配線部材及び前記中継部材は、コバール材によるパッケージに固定配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学位相調整板。
4. 前記配線部材は、金メッキされたアルミナ材により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学位相調整板。
5. 前記中継部材は、直交する隣り合う前記第１面及び第２面が金メッキされたアルミナ材により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学位相調整板。
6. 前記薄膜ヒータは、前記光学基板の面上において前記透過光の入出射位置よりシフトした所定面積を囲んで形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学位相調整板。
7. 前記薄膜ヒータは、前記光学基板の面上において前記透過光の入出射位置よりシフトした周縁部を囲んで形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学位相調整板。
8. 前記光学基板は、マイケルソン型干渉計またはマッハツェンダー型干渉計の位相調整手段であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光学位相調整板。

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