特許 7267524 ガスセルおよびガスセルの製造方法

(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】2023-04-24

(45)【発行日】2023-05-02

(54)【発明の名称】ガスセルおよびガスセルの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 1/06 20060101AFI20230425BHJP

   H03L 7/26 20060101ALI20230425BHJP

   G04F 5/14 20060101ALN20230425BHJP

【ＦＩ】

H01S1/06

H03L7/26

G04F5/14

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2018191550

(22)【出願日】2018-10-10

(65)【公開番号】P2020061451

(43)【公開日】2020-04-16

【審査請求日】2021-09-29

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(73)【特許権者】

【識別番号】519355839

【氏名又は名称】株式会社ＵＳリサーチ

(73)【特許権者】

【識別番号】520085811

【氏名又は名称】株式会社サイナジェティックス

(74)【代理人】

【識別番号】100095359

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100143834

【弁理士】

【氏名又は名称】楠 修二

(72)【発明者】

【氏名】小野 崇人

(72)【発明者】

【氏名】西野 仁

(72)【発明者】

【氏名】戸田 雅也

(72)【発明者】

【氏名】原 基揚

(72)【発明者】

【氏名】矢野 雄一郎

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１５－５３７３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１７８２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３０３５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０５６９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１８９６０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１７３４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１０９５２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ １／０６

Ｈ０３Ｌ １／００ － ９／００

Ｇ０４Ｆ ５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルカリ金属原子を含むガスを収納可能に設けられた反射空間と、
前記反射空間の内部に設けられた入射光反射面と平面内反射部と出射光反射面とを有し、
前記入射光反射面は、外部の所定の方向から入射する入射光を、前記入射光に対してほぼ垂直を成す光路平面内に反射するよう、記光路平面からの仰角がほぼ４５度を成しており、
前記平面内反射部は、前記入射光反射面からの反射光を前記光路平面内で１回または複数回反射させるよう、前記入射光反射面からの反射光を反射する反射面が、前記光路平面に対してほぼ垂直を成しており、
前記出射光反射面は、前記平面内反射部からの反射光を前記光路平面に対してほぼ垂直を成す方向に反射して、外部に出射光を出射するよう、前記光路平面からの仰角がほぼ４５度を成していることを
特徴とするガスセル。

【請求項2】

前記出射光反射面は、前記入射光の入射方向に対して平行かつ逆方向に、前記出射光を出射するよう設けられていることを特徴とする請求項１記載のガスセル。

【請求項3】

前記入射光反射面および前記出射光反射面は、同じ一つの平面から成り、
前記平面内反射部は、前記入射光反射面で反射された反射光と、前記出射光反射面に入射する反射光とが、進行方向が逆向きで互いに平行を成すよう設けられていることを
特徴とする請求項１または２記載のガスセル。

【請求項4】

前記平面内反射部は、前記入射光反射面で反射された反射光を反射して、その進行方向を９０度曲げるよう設けられた第１反射面と、前記第１反射面で反射された反射光を反射して、その進行方向を９０度曲げるよう設けられた第２反射面とを有することを特徴とする請求項３記載のガスセル。

【請求項5】

前記入射光反射面、前記入射光反射面からの反射光を反射する前記平面内反射部の反射面、および前記出射光反射面は、誘電体多層膜で覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセル。

【請求項6】

前記アルカリ金属原子は、ＣｓまたはＲｂであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスセル。

【請求項7】

前記反射空間は密封されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスセル。

【請求項8】

前記反射空間と通気可能に設けられ、前記アルカリ金属原子を放出可能なアルカリ金属ディスペンサーを収納した収納空間を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスセル。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスセルを製造するガスセルの製造方法であって、
板状のシリコンを結晶異方性エッチングして、前記入射光反射面と前記出射光反射面とを形成するとともに、前記シリコンを深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）して、前記入射光反射面からの反射光を反射する前記平面内反射部の反射面を形成することを特徴とするガスセルの製造方法。

【請求項10】

前記シリコンは、（１００）面からのオフ角が９．７４°のシリコンウエハから成ることを特徴とする請求項９記載のガスセルの製造方法。

【請求項11】

前記結晶異方性エッチングおよび前記深掘り反応性イオンエッチングの後、１０００℃以上の温度で水素アニールを行うことを特徴とする請求項９または１０記載のガスセルの製造方法。

【請求項12】

前記結晶異方性エッチングおよび前記深掘り反応性イオンエッチングの後、または、前記水素アニールの後、前記入射光反射面、前記出射光反射面、および、前記平面内反射部の反射面に、蒸着により、誘電体多層膜を形成することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のガスセルの製造方法。

【請求項13】

蒸着材料が前記入射光反射面、前記出射光反射面、および、前記平面内反射部の反射面に、同じ角度で衝突するよう、前記蒸着を行うことを特徴とする請求項１２記載のガスセルの製造方法。

【請求項14】

前記入射光反射面と前記出射光反射面と前記平面内反射部の反射面とを形成した後、または、前記誘電体多層膜を形成した後、１対のガラス板で前記シリコンを挟んで前記反射空間を密封することを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載のガスセルの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスセルおよびガスセルの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、原子を密封したガスセルを利用するものとして、その原子が吸収する電磁波の周波数を基準にした高精度な原子時計（例えば、非特許文献１参照）や、その原子の光ポンピングを利用した磁気センサー（例えば、特許文献１参照）などが開発されている。また、これらの装置を小型化するために、ガスセルをＭＥＭＳ技術により作製することも行われている。しかし、ガスセルを小型化すると、ガスセルに入射するレーザー光等の光路長が短くなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうという問題があった。

【0003】

そこで、この問題を解決するために、ガスセル内で、ガスセルの基板面に対して平行な方向にレーザー光を反射させることにより、光路長を伸ばすことができる反射型のガスセルが開発されている（例えば、非特許文献２参照）。このガスセルは、薄く形成することができると共に、レーザー光の入射窓と出力窓をガスセルの同一面上に作製することができるため、回路に実装しやすくなっている。

【0004】

また、この反射型のガスセルは、（１００）面で切り出したシリコンウエハを用いて結晶異方性ウエットエッチングすることにより、（１１１）面を形成し、これを反射面として利用している。この（１１１）面は、シリコンウエハの基板面に対して５４．７４°を成しているため、基板面に対して垂直に入射する光を、基板面に対して平行な方向に反射させたり、その反射光を基板面に対して垂直方向に出射させたりするために、回折格子を使用して入射光および出射光を曲げている。

【0005】

なお、（１００）面からのオフ角が９．７４°のシリコンウエハを用いて結晶異方性エッチングすることにより、シリコンウエハの表面に対して４５°の面を作製する方法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第５７８６５４６号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】M. Hara, et al., “Micro Atomic Frequency Standards Employing An Integrated FBAR-VCO Oscillating On The 87RB Clock Frequency Without A Phase Locked Loop”, IEEE, MEMS 2018, p.715-718

【文献】Ravinder Chutani et al, “Laser light routing in an elongated micromachined vapor cell with diffraction gratings for atomic clock applications”, Sci. Rep., 2015, 5, 14001

【文献】Carola Strandman et al, “Fabrication of 45° mirrors together with well-defined v-grooves using wet anisotropic etching of silicon”, IEEE J. Microelectromech. Syst., 1995, Vol. 4, No. 4, p. 213-219

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

非特許文献２に記載の反射型のガスセルは、回折格子で光が回折する際に、光の強度が低下するため、信号としての光のＳ／Ｎ比が小さくなり、精度が低下してしまうという課題があった。

【0009】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、信号としての光のＳ／Ｎ比を大きくすることができ、高い精度を有するガスセルおよびガスセルの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明に係るガスセルは、アルカリ金属原子を含むガスを収納可能に設けられた反射空間と、前記反射空間の内部に設けられた入射光反射面と平面内反射部と出射光反射面とを有し、前記入射光反射面は、外部の所定の方向から入射する入射光を、前記入射光に対してほぼ垂直を成す光路平面内に反射するよう、記光路平面からの仰角がほぼ４５度を成しており、前記平面内反射部は、前記入射光反射面からの反射光を前記光路平面内で１回または複数回反射させるよう、前記入射光反射面からの反射光を反射する反射面が、前記光路平面に対してほぼ垂直を成しており、前記出射光反射面は、前記平面内反射部からの反射光を前記光路平面に対してほぼ垂直を成す方向に反射して、外部に出射光を出射するよう、前記光路平面からの仰角がほぼ４５度を成していることを特徴とする。

【0011】

本発明に係るガスセルは、光路平面に対してほぼ垂直な方向を成す入射光および出射光を利用することができるため、入射光の照射手段や出射光の受光手段等の設計や設置が容易であり、入射光および出射光を回折格子等で曲げる必要もない。また、反射空間内でも、光は反射面で反射するのみで、回折したりしないため、光の強度の低下を抑えることができる。このため、信号としての光のＳ／Ｎ比を大きくすることができ、高い精度が得られる。また、本発明に係るガスセルは、入射光を入射光反射面で反射させて光路平面内に入れてから、出射光反射面で反射させて出射光を外部に出射させるまで、平面内反射部で反射させながら光路平面内に光を通すことにより、光路長を長くすることができる。これにより、さらに精度を高めることができる。

【0012】

本発明に係るガスセルは、平面内反射部で反射させながら光路平面内に光を通すため、光路平面に対して垂直方向の厚みを小さくすることができる。このため、回路などでの設置スペースを小さくすることができる。また、本発明に係るガスセルは、入射光反射面、出射光反射面、入射光反射面の反射面、および光路平面の互いに成す角度が、ほぼ４５度や９０度になるため、設計が容易である。

【0013】

本発明に係るガスセルで、平面内反射部での反射回数はいくつであってもよいが、光路長を長くするためには、反射回数は多い方がよい。また、アルカリ金属原子は、いかなるものであってもよく、例えば、ＣｓまたはＲｂである。また、より精度を高めるために、反射空間は密封されていることが好ましい。

【0014】

本発明に係るガスセルで、前記出射光反射面は、前記入射光の入射方向に対して平行かつ逆方向に、前記出射光を出射するよう設けられていることが好ましい。この場合、入射光の入射窓と、出射光の出力窓とを、ガスセルの同じ側に作製することができるため、回路などへの実装が容易である。

【0015】

本発明に係るガスセルで、前記入射光反射面および前記出射光反射面は、同じ一つの平面から成り、前記平面内反射部は、前記入射光反射面で反射された反射光と、前記出射光反射面に入射する反射光とが、進行方向が逆向きで互いに平行を成すよう設けられていてもよい。この場合、入射光の入射方向に対して平行かつ逆方向に、出射光を出射することができる。また、この場合、前記平面内反射部は、前記入射光反射面で反射された反射光を反射して、その進行方向を９０度曲げるよう設けられた第１反射面と、前記第１反射面で反射された反射光を反射して、その進行方向を９０度曲げるよう設けられた第２反射面とを有することが好ましい。

【0016】

本発明に係るガスセルで、前記入射光反射面、前記入射光反射面からの反射光を反射する前記平面内反射部の反射面、および前記出射光反射面は、誘電体多層膜または前記アルカリ金属原子と反応しない金属膜で覆われていてもよい。誘電体多層膜で覆う場合、各反射面の反射率を高くすることができる。また、金属膜で覆う場合、各反射面を保護することができる。金属膜は、例えば、表面がＴｉ層から成るＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜またはＴｉ／Ａｕ膜である。

【0017】

本発明に係るガスセルは、前記反射空間と通気可能に設けられ、前記アルカリ金属原子を放出可能なアルカリ金属ディスペンサーを収納した収納空間を有することが好ましい。この場合、収納空間に収納されたアルカリ金属ディスペンサーから放出されたアルカリ金属原子を、反射空間の内部に供給することができる。なお、反射空間および収納空間は、密封されていることが好ましい。

【0018】

本発明に係るガスセルの製造方法は、本発明に係るガスセルを製造するガスセルの製造方法であって、板状のシリコンを結晶異方性エッチングして、前記入射光反射面と前記出射光反射面とを形成するとともに、前記シリコンを深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）して、前記入射光反射面からの反射光を反射する前記平面内反射部の反射面を形成することを特徴とする。

【0019】

本発明に係るガスセルの製造方法は、本発明に係るガスセルを比較的容易かつ正確に製造することができる。本発明に係るガスセルの製造方法で、前記シリコンは、（１００）面からのオフ角が９．７４°のシリコンウエハから成ることが好ましい。この場合、結晶異方性エッチングにより、シリコンウエハの表面に対して４５°の面を作製することができる。これにより、光路平面をシリコンウエハの表面に平行な面とし、入射光反射面と出射光反射面とが、光路平面からの仰角が４５度になるよう形成することができる。

【0020】

また、本発明に係るガスセルの製造方法は、前記結晶異方性エッチングおよび前記深掘り反応性イオンエッチングの後、１０００℃以上の温度で水素アニールを行うことが好ましい。この場合、熱処理工程により、シリコンの表面流動が生じ、エッチングにより形成された入射光反射面、出射光反射面および平面内反射部の反射面を、平坦にすることができる。

【0021】

本発明に係るガスセルの製造方法は、前記結晶異方性エッチングおよび前記深掘り反応性イオンエッチングの後、または、前記水素アニールの後、前記入射光反射面、前記出射光反射面、および、前記平面内反射部の反射面に、蒸着により、誘電体多層膜または前記アルカリ金属原子と反応しない金属膜を形成してもよい。また、この場合、蒸着材料が前記入射光反射面、前記出射光反射面、および、前記平面内反射部の反射面に、同じ角度で衝突するよう、前記蒸着を行うことが好ましい。これにより、各反射面に同時に、ほぼ同じ厚さで誘電体多層膜または金属膜を形成することができる。

【0022】

また、本発明に係るガスセルの製造方法は、前記入射光反射面と前記出射光反射面と前記平面内反射部の反射面とを形成した後、または、前記誘電体多層膜を形成した後、１対のガラス板で前記シリコンを挟んで前記反射空間を密封することが好ましい。また、収納空間を有する場合には、反射空間と共に、収納空間も密封することが好ましい。これらの場合、より高精度のガスセルを製造することができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、信号としての光のＳ／Ｎ比を大きくすることができ、高い精度を有するガスセルおよびガスセルの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施の形態のガスセルを示す（ａ）平面図、（ｂ） （ａ）のＡ－Ａ’端面図である。

【図2】（ａ）～（ｄ）本発明の実施の形態のガスセルの製造方法を示す端面図である。

【図3】本発明の実施の形態のガスセルの製造方法を示す（ａ）平面図、（ｂ）および（ｃ） （ａ）のＡ－Ａ’端面図、（ｄ）底面図、（ｅ）および（ｆ） （ｄ）のＡ－Ａ’端面図である。

【図4】本発明の実施の形態のガスセルの製造方法を示す（ａ）平面図、（ｂ）および（ｃ） （ａ）のＡ－Ａ’端面図、（ｄ）平面図、（ｅ） （ｄ）のＡ－Ａ’端面図である。

【図5】（ａ）本発明の実施の形態のガスセルの変形例を示す端面図、（ｂ） （ａ）に示すガスセルの製造方法を示す端面図である。

【図6】本発明の実施の形態のガスセルの、シリコンウエハに形成された反射空間を示す（ａ）反射空間が五角形を成す変形例の平面図、（ｂ）平面内反射部での反射回数が３回の変形例の平面図、（ｃ）第１反射面および第２反射面での反射角度が９０度からややずれたときの変形例の平面図、（ｄ） （ｃ）の第２反射面を拡大した平面図である。

【図7】本発明の実施の形態のガスセルの、ＲｂのＤ１線の吸収スペクトルである。

【図8】本発明の実施の形態のガスセルの、ＣＰＴスペクトルである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図８は、本発明の実施の形態のガスセルおよびガスセルの製造方法を示している。

【0026】

図１に示すように、ガスセル１０は、上部ガラス板１１とシリコンウエハ１２と下部ガラス板１３の三層構造を成している。図１に示す具体的な一例では、上部ガラス板１１および下部ガラス板１３は、テンパックスガラスから成っている。また、上部ガラス板１１、シリコンウエハ１２、および下部ガラス板１３は、それぞれ厚みが0.3 mm、0.2 mm、1 mmである。

【0027】

また、ガスセル１０は、上部ガラス板１１、シリコンウエハ１２および下部ガラス板１３を加工して、上部ガラス板１１と下部ガラス板１３との間に反射空間１４と収納空間１５とを有している。また、ガスセル１０は、反射空間１４の内部に設けられた入出射光反射面１６と平面内反射部１７とを有し、収納空間１５の内部にアルカリ金属ディスペンサー１８を有している。

【0028】

図１（ｂ）に示すように、反射空間１４および収納空間１５は、シリコンウエハ１２を貫通して形成されている。反射空間１４および収納空間１５は、シリコンウエハ１２の表面に沿って並んで配置され、互いに通気可能に設けられている。また、反射空間１４および収納空間１５は、ガスセル１０の外部に対して密封されている。図１（ａ）に示すように、反射空間１４および収納空間１５は、平面視の外形が矩形状を成し、反射空間１４が一方の長辺側に、収納空間１５が他方の長辺側に設けられている。反射空間１４は、平面視での収納空間１５との境界線が、収納空間１５側に山型に突出しており、その山型の頂部が長辺と平行を成し、山裾部が長辺に対して４５度を成している。

【0029】

図１に示すように、入出射光反射面１６は、反射空間１４の一方の長辺を成し、シリコンウエハ１２の表面との成す角が４５度で、反射空間１４の内側かつ上部ガラス板１１の側に向いた状態で設けられている。平面内反射部１７は、平面視での一方の山裾部を成す第１反射面１７ａと、平面視での他方の山裾部を成す第２反射面１７ｂとを有している。第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂは、シリコンウエハ１２の表面との成す角が９０度で、反射空間１４の内側に向いた状態で設けられている。なお、入出射光反射面１６が、入射光反射面および出射光反射面を成している。

【0030】

アルカリ金属ディスペンサー１８は、加熱することによりアルカリ金属原子を放出可能であり、収納空間１５の内部に設置されている。アルカリ金属ディスペンサー１８は、アルカリ金属原子を放出するものであれば、ＣｓやＲｂ等のディスペンサーなど、いかなるものであってもよい。図１に示す具体的な一例では、アルカリ金属ディスペンサー１８は、Ｒｂのディスペンサーから成っている。ガスセル１０は、アルカリ金属ディスペンサー１８から放出されるアルカリ金属原子により、収納空間１５および反射空間１４の内部に、アルカリ金属原子（Ｒｂ）を含むガスを密封するようになっている。

【0031】

図１に示すように、ガスセル１０は、上部ガラス板１１の上方から、シリコンウエハ１２の表面に対して垂直方向に入射する入射光が、入出射光反射面１６で反射して９０度曲がり、シリコンウエハ１２の表面に平行な光路平面内に入って、平面内反射部１７の第１反射面１７ａに向かうよう設けられている。また、ガスセル１０は、入出射光反射面１６からの入射光の反射光が、平面内反射部１７の第１反射面１７ａで反射して、光路平面内で９０度曲がり、平面内反射部１７の第２反射面１７ｂに向かうよう設けられている。また、ガスセル１０は、第１反射面１７ａからの反射光が、平面内反射部１７の第２反射面１７ｂで反射して、光路平面内で９０度曲がり、入出射光反射面１６に向かうよう設けられている。これにより、ガスセル１０は、入出射光反射面１６で反射された入射光の反射光と、入出射光反射面１６に入射する第２反射面１７ｂからの反射光とが、進行方向が逆向きで互いに平行を成すようになっている。また、ガスセル１０は、第２反射面１７ｂからの反射光が、入出射光反射面１６で反射して９０度曲がり、上部ガラス板１１から外部に向かって、シリコンウエハ１２の表面に対して垂直方向に出射光を出射するよう設けられている。これにより、ガスセル１０は、入射光の入射方向に対して平行かつ逆方向に、出射光が出射するようになっている。なお、入出射光反射面１６は、光路平面からの仰角が４５度であり、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂは、光路平面に対して垂直を成している。図１に示す具体的な一例では、反射空間１４の内部での光路長は、約１５ｍｍである。

【0032】

ガスセル１０は、本発明の実施の形態のガスセルの製造方法により、好適に製造される。すなわち、本発明の実施の形態のガスセルの製造方法は、図２に示すように、まず、厚みが２００μｍで、（１００）面からのオフ角が９．７４°のシリコンウエハ１２を用い（図２（ａ）参照）、そのシリコンウエハ１２を熱酸化して、両側の表面に５００ｎｍのＳｉＯ_２膜２１を形成する（図２（ｂ）参照）。次に、その両面に、レジスト膜２２をパターニングし（図２（ｃ）参照）、ＢＨＦ（超高純度バッファードフッ酸）を用いて、反射空間に対応する位置のＳｉＯ_２膜２１をエッチングした後、レジスト膜２２を取り除く（図２（ｄ）参照）。

【0033】

次に、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）を用いて、Ｓｉが露出した部分について、Ｓｉを結晶異方性エッチングする（図３（ｂ）参照）。これにより、シリコンウエハ１２の表面に対して４５°を成す入出射光反射面１６を形成することができる。次に、ＢＨＦを用いてＳｉＯ_２膜２１を全てエッチングして除去する（図３（ｃ）参照）。露出したシリコンウエハ１２の表面に、レジスト膜２３をパターニングし（図３（ｅ）参照）、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）する（図３（ｆ）参照）。これにより、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂや、収納空間１５の内壁などを形成し、反射空間１４および収納空間１５を形成することができる。

【0034】

深掘り反応性イオンエッチングの後、１１００℃で３０分間の水素アニールを行う（図４（ｂ）参照）。これにより、シリコンの表面流動が生じ、各エッチングにより形成された入出射光反射面１６、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂなどの面を平坦にすることができる。次に、フィルムレジストのパターニングとサンドブラストとを用いて、反射空間１４および収納空間１５に対応する位置に凹部を形成した、厚さ１μｍのテンパックスガラス製の下部ガラス板１３を、シリコンウエハ１２の一方の表面に陽極接合し（図４（ｂ）参照）、収納空間１５にアルカリ金属ディスペンサー１８を収納した後、シリコンウエハ１２の他方の表面に、別のテンパックスガラス製の上部ガラス板１１を陽極接合する（図４（ｃ）参照）。これにより、上部ガラス板１１および下部ガラス板１３でシリコンウエハ１２を挟み、反射空間１４および収納空間１５を密封することができる。密封後、アルカリ金属ディスペンサー１８をＹＡＧレーザー光で活性化し、Ｒｂを発生させる。なお、図１に示すように、上部ガラス板１１および下部ガラス板１３は、それぞれシリコンウエハ１２の反対側の面に接合されていてもよい。こうして、本発明の実施の形態のガスセルの製造方法により、比較的容易かつ正確にガスセル１０を製造することができる。

【0035】

ガスセル１０は、光路平面に対してほぼ垂直な方向を成す入射光および出射光を利用することができるため、入射光の照射手段や出射光の受光手段等の設計や設置が容易であり、入射光および出射光を回折格子等で曲げる必要もない。また、反射空間内でも、光は反射面で反射するのみで、回折したりしないため、光の強度の低下を抑えることができる。このため、信号としての光のＳ／Ｎ比を大きくすることができ、高い精度が得られる。また、ガスセル１０は、入射光を入出射光反射面１６で反射させて光路平面内に入れてから、入出射光反射面１６で反射させて出射光を外部に出射させるまで、平面内反射部１７で反射させながら光路平面内に光を通すことにより、光路長を長くすることができる。これにより、さらに精度を高めることができる。

【0036】

ガスセル１０は、入出射光反射面１６、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂ、ならびに光路平面の互いに成す角度が、４５度や９０度になるため、設計が容易である。ガスセル１０は、平面内反射部１７で反射させながら光路平面内に光を通すため、光路平面に対して垂直方向の厚みを小さくすることができる。このため、回路などでの設置スペースを小さくすることができる。また、ガスセル１０は、入射光の入射方向に対して平行かつ逆方向に、出射光を出射することができるため、入射光の入射窓と、出射光の出力窓とを、ガスセル１０の同じ側に作製することができ、回路などへの実装が容易である。

【0037】

なお、図５（ａ）に示すように、ガスセル１０は、少なくとも入出射光反射面１６、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂが、誘電体多層膜１９で覆われていてもよい。誘電体多層膜１９は、例えば、２０ｎｍの厚みを有するＡｌ_２Ｏ_３膜である。この場合、誘電体多層膜１９により、入出射光反射面１６、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂの反射率を高くすることができる。

【0038】

誘電体多層膜１９は、例えば、図５（ｂ）に示すように、図４（ｃ）の後に、収納空間１５やシリコンウエハ１２の表面の誘電体多層膜１９を形成しない部分を、ステンシルマスク２４で覆ったのち、蒸着やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）などを利用することにより形成することができる。また、蒸着やＡＬＤを行う際には、誘電体多層膜１９の材料が入出射光反射面１６、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂに、同じ角度で衝突するよう、誘電体多層膜１９の材料の移動方向に対して、シリコンウエハ１２や下部ガラス板１３を相対的に傾けることが好ましい。図５（ｂ）に示す一例では、入出射光反射面１６と光路平面との交線に沿った軸を中心として、誘電体多層膜１９の材料の移動方向と入出射光反射面１６との成す角度が７１．５度になるよう、誘電体多層膜１９の材料の移動方向に対して、シリコンウエハ１２や下部ガラス板１３を相対的に傾けている。これにより、誘電体多層膜１９の材料の移動方向と、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂとの成す角度も７１．５度になるため、各反射面に同時に、ほぼ同じ厚さで誘電体多層膜１９を形成することができる。

【0039】

なお、誘電体多層膜１９の代わりに、アルカリ金属ディスペンサー１８が放出するアルカリ金属原子と反応しない金属膜が設けられていてもよい。金属膜は、例えば、表面がＴｉ層から成るＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜またはＴｉ／Ａｕ膜である。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜の厚みは、例えば、４０／６０／１００ｎｍである。また、Ｔｉ／Ａｕ膜の厚みは、例えば、２０／１００ｎｍである。この場合、入出射光反射面１６、平面内反射部１７の第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂを保護することができる。

【0040】

また、図６（ａ）に示すように、ガスセル１０は、第１反射面１７ａと第２反射面１７ｂとが接しており、反射空間１４が平面視で五角形を成していてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、ガスセル１０は、入出射光反射面１６が入射光反射面１６ａと出射光反射面１６ｂとに分かれており、平面内反射部１７が、入射光反射面１６ａと出射光反射面１６ｂとの間に、シリコンウエハ１２の表面との成す角が９０度を成す第３反射面１７ｃを有しており、入射光反射面１６ａから光路平面内に入った反射光が、第１反射面１７ａ、第３反射面１７ｃ、第２反射面１７ｂの順にそれぞれ鋭角に反射して、出射光反射面１６ｂに向かうよう設けられていてもよい。この場合、平面内反射部１７での反射回数が３回となり、光路長を長くすることができる。

【0041】

また、図６（ｃ）に示すように、ガスセル１０は、第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂでの反射角度がほぼ９０度であり、図１のように正確に９０度ではなく、９０度からややずれていてもよい。図６（ｄ）に示すように、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）等により、第１反射面１７ａおよび第２反射面１７ｂが、光路平面内で湾曲したり傾きがややずれたりすることがあるが、その場合でも、入出射光反射面１６からの出射光を、シリコンウエハ１２の表面に対して垂直方向、すなわち、入射光の入射方向に対して平行かつ逆方向に出射することができる。

【実施例1】

【0042】

図１に示すガスセル１０を用いて、ＲｂのＤ１線の吸収線を測定した。なお、使用するガスセル１０は、反射空間１４および収納空間１５を真空封止したものである。測定は、ガスセル１０を９０℃に加熱した状態で行い、入射光として、VCSEL（垂直共振器面発光レーザ）から、795 nmの波長域を有し、直径が200 mmのレーザーを入射した。測定では、レーザーに加える電流を変調させて波長を変化させた。また、出射光の検出には、フォトダイオードを用いた。また、磁場の外乱を防ぐため、磁気シールドとして、パーマロイでガスセル１０を覆った。

【0043】

吸収線の測定結果を、図７に示す。図７に示すように、ＲｂのＤ１線の各吸収線が明瞭に確認された。図７中の±２ＧＨｚより外側の吸収線は、８７Ｒｂの吸収線であり、±２ＧＨｚの内側の吸収線は、８５Ｒｂの吸収線である。

【0044】

次に、入射光を、3.4 GHzのCPT（Coherent Population Trapping）共鳴周波数近傍で周波数変調させて、ＣＰＴスペクトルの測定を行った。測定には、吸収線測定と同じ装置を使用し、入射光の強度変調には、電気光学変調器を用いた。ＣＰＴスペクトルの測定結果を、図８に示す。図８に示すように、暗共鳴（Dark resonance）のピークの幅が狭く、周波数シフトが少ないことが確認された。ピークの半値幅は、１．４０ＭＨｚであった。

【0045】

このように、ガスセル１０は、明瞭な吸収線を確認でき、ＣＰＴスペクトルのピーク幅が狭いため、高精度の原子時計や、心拍や脳波などにより発生する生体磁気を測定可能な高精度の磁気センサー等に利用することができる。

【符号の説明】

【0046】

１０ ガスセル
１１ 上部ガラス板
１２ シリコンウエハ
１３ 下部ガラス板
１４ 反射空間
１５ 収納空間
１６ 入出射光反射面
１７ 平面内反射部
１７ａ 第１反射面
１７ｂ 第２反射面
１８ アルカリ金属ディスペンサー
１９ 誘電体多層膜

２１ ＳｉＯ_２膜
２２、２３ レジスト膜
２４ ステンシルマスク

１６ａ 入射光反射面
１６ｂ 出射光反射面
１７ｃ 第３反射面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】