(57)【要約】【課題】  低消費電力で高い光路安定性を得ることができる光学素子を提供する。【解決手段】  ペルチェ素子を用いて光学素子を温度制御する光学装置において、ペルチェ素子は吸熱側に光学素子を備えた吸熱板、放熱側には放熱板を有しており、光学装置のケース内の低熱伝導ベース上に吸熱板のみが固定されており、ペルチェ素子および放熱板はケース内に中空に設置されていることを特徴とする光学装置である。前記低熱伝導ベースは熱伝導率が５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下で且つ熱膨張係数が１×１０−６／℃以下の材料とすることが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェ素子を用いて光学素子を温度制御する光学装置において、
前記ペルチェ素子は吸熱側に光学素子を備えた吸熱板を有し、放熱側には放熱板を有しており、
光学装置のケース内の低熱伝導ベース上に前記吸熱板が固定されており、
前記ペルチェ素子は前記ケースから離隔されており、前記ペルチェ素子及び放熱板はケース内の中空に設置されていることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記低熱伝導ベースは熱伝導率が５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下で且つ熱膨張係数が１×１０−６／℃以下の材料であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記光学素子は発光素子、受光素子、レンズ及びエタロンから選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記光学装置は可変分散補償器であ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装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はペルチェ素子を用いた光学装置に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ペルチェ素子を用いた光学装置または光学素子として、レーザモジュール等がある。発光素子やレーザ共振器を安定に発振させるために、図４に従来例のレーザモジュールを示す。ペルチェ素子１の吸熱側には、Ｌ型吸熱板１２上にモニター用ホトダイオード１３、チップ状のレーザダイオード１４、レンズ１５が設置され、放熱側はケース１０に取り付けられている。ケース１０に設置された光ファイバ１６に光を出力しており、温度制御時の放熱側の温度変動により、ペルチェ素子１を介して設置されている光学素子からの光路が変動してしまい、損失が変化するという問題があった。そのため、図５のようにＬ型吸熱板１２に非放熱ブロック１７を追加してケース１０にも固定することで安定化する対策が行われていた（特許文献１）。
【０００３】
さらに、図６に示す分散補償器のように多重反射光路をもつ光学装置では、ペルチェ素子１の吸熱側にエタロン２３、部品固定部材であるベース２５、ミラー２６およびコリメータ２１、２２を全て配置することで温度に対して光路を安定とする構造にしていた（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−４５７０５号公報（図１）
【特許文献２】特開２００６−５３５１９号公報（図１、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の構成でも光学素子からの光路ずれを最小に抑えることが難しく、損失変動があった。また、特許文献２の構成では吸熱側の熱容量が大きいために消費電力が大きいという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、このような課題を解決し、光路安定性が高く、低消費電力の光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ペルチェ素子を用いて光学素子を温度制御する光学装置において、前記ペルチェ素子は吸熱側に光学素子を備えた吸熱板を有し、放熱側には放熱板を有しており、光学装置のケース内の低熱伝導ベース上に前記吸熱板が固定されており、前記ペルチェ素子は前記ケースから離隔されており、前記ペルチェ素子および放熱板はケース内に中空に設置されていることを特徴とする光学装置である。前記低熱伝導ベース上には前記吸熱板のみが固定されていることが望ましい。吸熱板はペルチェ素子の吸熱側に設置し光学部材の温度分布を均一にするための板状の部材であり（均熱板としても機能する）、熱伝導率の高いものが有効であり、光学素子の温度を安定させるために熱の出入りをペルチェ素子及び放熱板の側に限っているものを指す。ペルチェ素子と接続された吸熱板のみをベース上に固定することで温度制御時の放熱板及びペルチェ素子の歪みによる光学素子からの光路ずれを低減できることから、高い光路安定性を得ることができる。ここで、中空に配置するとは、ケース内の空洞において、直接ケースに接触することがないように配置することをいう。温度制御とは、光学素子が所定の機能を発揮するように、所定の温度に保持すること或いは保持温度自体を変更することである。
【０００８】
また、前記光学素子としては発光素子、受光素子、レンズ及びエタロンから選ばれる少なくとも１つを用い、光学装置に適用できる。
【０００９】
本発明で用いられる低熱伝導ベースとして、常温（２０±１５℃）から３００℃において、熱伝導率が５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下で且つ熱膨張係数が１×１０−６／℃以下の材料である石英ガラス、ショットグラス社製のゼロデュア、コーニング社製のチタン珪酸ガラス（コードＮｏ．７９７１）等のガラス材料、或いはセラミックスを用いることで安定な光学装置を実現できる。前記セラミックスとしては、例えば、次のものが挙げられる。旭硝子セラミックス社製のチタン酸アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＯ２）は、常温(Ｒ．Ｔ)で熱伝導率＝０．９〜１．２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１、常温（Ｒ．Ｔ）〜６００℃で熱膨張係数＝０．５〜０．８×１０−６／℃である。京セラ社製のコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）は、温度２２〜２３℃で、熱伝導率＝４Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１、線膨張係数＜０．１×１０−６／℃である。
【００１０】
ベースとしてガラス材料を用いることで、光学部品を固定する際の接着剤としてＵＶ硬化接着剤を用いる場合に、ベース側からＵＶ光を照射できることから安定して固定できる。また、セラミックス材料を用いる場合にはベース強度がガラスに比べて大きいために、ベース厚さを薄くすることが可能となる。
【００１１】
熱伝導率は、ベース（又はベースに加工する前の基板材料）から直径１０ｍｍ×厚さ０．１〜２．５ｍｍ程度の円板状の試料を切りとり、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ  Ｒ１６１１）で測定する。熱膨張係数には、体膨張係数(／℃)と線膨張係数(／℃)があるが、１次元の測定の方が容易であるため、押し棒式熱膨張計や光干渉式熱膨張計は、線膨張係数を測定する。線膨張係数は、ベース（又はベースに加工する前の基板材料）から直径５ｍｍ×高さ１０ｍｍ程度の円柱状の試料を切りとり、熱機械解析法（ＪＩＳ  Ｒ１６１８）で測定する。ガラス材料についても熱機械解析法で測定するが、試料寸法等の制約によって熱機械解析法で測定できない場合に限り、レーザ干渉法（ＪＩＳ  Ｒ３２５１）で測定する。熱機械解析法には押し棒式熱膨張計を用い、レーザ干渉法にはマイケルソン光干渉計方式熱膨張計（例えば、アルバック理工社製：ＬＩＸ２型）を用いることができる。
【００１２】
本発明の構成を、エタロンを用いた可変分散補償器に適用することで安定した分散特性が得られる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の構成により、低消費電力で高い光路安定性を得ることができる光学素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明について説明するが、本発明の構成が必ずしもこれらにより限定されるものではない。また、同様の部材は同じ符号で説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明に適用するレーザモジュールの第１の実施形態を示す断面図である（ケースのみ断面で示す。他の部分は上面図に相当する）。ペルチェ素子１の吸熱側にＬ型の吸熱板１２を設け、前記吸熱板１２上にモニター用ホトダイオード１３、レーザチップ１４、レンズ１５が設置され、吸熱板１２は低熱伝導率の非放熱ブロック１７を介してケース１０に固定することで安定化している。ペルチェ素子１と放熱側の放熱板３はケース１０に取り付けられておらず、中空に浮いている構成であるため、温度制御時の放熱側の温度変動により、ペルチェ素子を介して設置されている光学素子からの光路が変動することなく、ケース１０に設置された光ファイバ１６に光を出力できた。このようにして出力が安定しているレーザモジュールを実現できた。
【００１６】
（第２の実施形態）
図２はレーザモジュールの第２の実施形態を示す断面図である。ペルチェ素子１の吸熱側にＴ型の吸熱板１８を設け、前記吸熱板１８上にモニター用ホトダイオード１３、レーザチップ１４、レンズ１５が設置され、吸熱板１８は前記第１の実施形態よりも約２倍の厚さで低熱伝導率の非放熱ブロック１７を介してケース１０に固定することで、さらに安定化でき、出力がより安定なレーザモジュールを実現できた。
【００１７】
（第３の実施形態）
図３は光学素子としてエタロンを用いた可変分散補償器の（ａ）上面断面図と（ｂ）正面断面図である。可変分散補償器では、コリメータ２１からの光路２４はエタロン２３とミラー２６を透過反射してコリメータ２２に入射する光路２４で構成される。制御装置（図示を省略）により、エタロン２３の温度は可変なのでエタロン２３の温度に依存した分散特性を変更できる。この構成はペルチェ素子１の吸熱側に吸熱板２を介してエタロン２３が設けられており、吸熱板のみが低熱膨張係数のべース２５に固定されており、ペルチェ素子１と放熱側の放熱板３は中空に浮いている構成である。そのため、温度制御時の放熱側の温度変動により、ペルチェ素子１を介して設置されているエタロン２３の位置ずれが発生しない。また、吸熱側は吸熱板２とエタロン２３のみであるために熱容量が小さく低消費電力とすることができる。また、低熱膨張のベース２５上にコリメータ２１、２２とミラー２６を固定しているので損失特性が０．２ｄＢ以下と安定な分散補償器を実現できた。
【００１８】
低熱伝導ベースは熱伝導率が５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下で且つ熱膨張係数が１×１０−６／℃以下の材料である石英ガラス、セラミックス等を用いることが好ましく、より安定な光学装置を実現できる。
【００１９】
表１に実施例によるペルチェ素子の放熱側と吸熱側の構造、およびベース材質特性による出力安定性と消費電力を評価した結果をまとめて示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１の実施例１は図１の構造のレーザモジュールであり、ペルチェ素子に接合された吸熱側のＬ型吸熱板が非熱伝導板の石英ガラスによって接合されており、ペルチェ素子および放熱板は中空に浮いている構造であり、その出力安定度は１％以下で、消費電力は３Ｗ以下であり使用可能である。実施例２は図２の構造であり、石英ガラスの厚さが実施例１の２倍の厚さ３ｍｍである場合であり、その出力安定度は０．５％以下で、消費電力は２Ｗ以下で良好であった。比較例１は図４で示される従来例であり、放熱板がケースに設置されている構造であり、消費電力は１Ｗ以下と少ないが安定性は５％以下と悪いため実用上使用不能であった。また、比較例２は図５で示される従来例であり、放熱板と吸熱板が非熱伝導板としてジルコニアによって接合されており、出力安定度は２％以下であるが消費電力は５Ｗと大きく安定して使用するには装置が複雑になり易い。
【００２２】
実施例３は図３の構造の分散補償器であって、ペルチェ素子に接合された吸熱側の吸熱板が非熱伝導板の石英ガラスによって接合されており、ペルチェ素子および放熱板は中空に浮いている構造であり、その出力安定度は１％以下で、消費電力は３Ｗ以下であり使用可能である。実施例４は実施例３と同じ構造であるが非熱伝導板に熱膨張係数が石英ガラスに比べて小さいコーニング社製チタン珪酸ガラス７９７１（ゼロ膨張ガラス）を用いた場合であり、出力安定性が０．３％ときわめて良好であった。比較例３は図６で示される従来例であり、吸熱側に全ての光学部品が設置されているために消費電力が１０Ｗと大きいという問題があった。比較例４は実施例３と同じ構造であるが非熱伝導板にジルコニアを使用しており、熱膨張係数が大きいために安定度が１０％以下と使用不能であった。
【００２３】
本発明により、低消費電力で高い光路安定性を得ることができる光学素子を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例の光学装置レーザモジュールを説明するための断面図である。
【図２】本発明の他の実施例の光学装置レーザモジュールを説明するための断面図である。
【図３】本発明の他の実施例に係る光学装置である可変分散補償器を説明するための上面断面図及び正面断面図である。
【図４】従来のレーザモジュールを説明するための断面図である。
【図５】従来のレーザモジュールを説明するための断面図である。
【図６】従来の可変分散補償器を説明するための上面断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  ペルチェ素子、
２  吸熱板、
３  放熱板、
１０  ケース、
１２  Ｌ型吸熱板、
１３  モニター用ホトダイオード
１４  レーザダイオード
１５  レンズ
１６  光ファイバ
１７  非放熱ブロック
１８  Ｔ型吸熱板
２１、２２  コリメータ
２３  エタロン
２４  光路
２５  ベース
２６  ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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