(57)【要約】【課題】量子暗号化通信に使用する冷却型ＡＰＤモジュールにおいて、十分な冷却温度を得ること、及びＡＰＤモジュール等の特性劣化を防止する。【解決手段】ＡＰＤ素子３等の光学素子を載置したペルチェ素子７等の冷却用素子を、窒素又はキセノンを封入したパッケージ５の内部に収容し、パッケージ５の外部で、光学素子を、光結合用部材１、２、４を用いて光結合する。ＡＰＤ素子３をペルチェ素子７上に直接接触するように配置したため、効率良くＡＰＤ素子３を冷却することができ、最大冷却温度で−６２℃と従来品に比べ２０℃以上の向上を図ることができる。ＡＰＤ素子３を実使用状態の温度に冷却した状態で光軸調整を行うため、実使用の冷却状態での温度変化による特性の変化が少なくなり、冷却時に光軸がずれて結合効率が劣化することを防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を載置した冷却用素子を、窒素又はキセノンを封入したパッケージの内部に収容し、該パッケージの外部で、前記光学素子を、光結合用部材を用いて光結合することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記光学素子は、ＡＰＤ素子であり、前記冷却用素子は、ペルチェ素子であり、前記光結合用部材は、結合レンズ及び光ファイバであることを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールに関し、特に、量子暗号通信に使用する冷却型ＡＰＤモジュール等の光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバージャイロ装置において、受光素子の出力ノイズ熱雑音は、その絶対温度の上昇に対応して増加する。そのため、図２に示すように、受光素子を冷却して低温に保持するにあたって、例えば、特許文献１には、基台１００上に、光ファイバー１０３ａを多数回その外部に巻回した巻枠１０３ｂからなる光ファイバーループ１０３を取り付け、受光素子１０２をブッロク１０１の開口１０１ａ内に取り付け、ブロック１０１を、ペルチェ素子等の冷却装置１０４を介して、基台１００の巻枠１３６内に取り付ける。
【０００３】
ペルチェ素子１０４は、直流電流１０５により駆動され、ブロック１０１を冷却し、受光素子１０２を極低温に保持することにより、受光素子１０２の出力ノイズを減少させることができ、装置のＳ／Ｎ比を向上させ、ジャイロ装置としての感度を大幅に改善することができる。
【０００４】
一方、図３に示すように、従来の量子暗号通信に使用する冷却型ＡＰＤモジュールは、ＣＡＮパッケージ１７に実装されたＡＰＤ素子１３、及び、常温にて、結合レンズ１４、フェルール１２を先端に配置した光ファイバ１１を各々調整、固定して光モジュール化した後、ＡＰＤ素子１３を、パッケージ１５内に固定したペルチェ素子１８上に熱伝導率の高い銅の切削ブロック１６を介して冷却していた。
【特許文献１】特開昭６３−１５９７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載の光ファイバージャイロ装置では、受光素子１０２をペルチェ素子１０４によってブッロク１０１を介して冷却するため、熱伝導が飽和し、受光素子１０２を十分に冷却することができないという問題があった。
【０００６】
また、上記する冷却型ＡＰＤモジュールにおいても、同様に、ＡＰＤ素子１３自体が直接ペルチェ素子１８に接触しておらず、熱伝導が飽和し、ＡＰＤ素子１３を十分に冷却することができないという問題があった。
【０００７】
また、従来の冷却型ＡＰＤモジュールでは、ＣＡＮパッケージ１７内に配置したＡＰＤ素子１３と、先端に５度斜めに研磨したフェルールを配置した光ファイバ１１及び結合レンズ１４とで常温状態にて光モジュール化していたため、温度変化による部材の熱膨張差によって、実使用状態である−５０℃以下の冷却時に光軸ずれが生じ、結合効率が劣化するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、光ファイバージャイロ装置の受光素子、冷却型ＡＰＤモジュールのＡＰＤ素子等を十分に冷却することができるとともに、冷却時に光軸がずれて結合効率が劣化することもない光モジュール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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、光モジュールであって、光学素子を載置した冷却用素子を、窒素又はキセノンを封入したパッケージの内部に収容し、該パッケージの外部で、前記光学素子を、光結合用部材を用いて光結合することを特徴とする。ここで、前記光学素子をＡＰＤ素子とし、前記冷却用素子をペルチェ素子とし、前記光結合用部材を、結合レンズ及び光ファイバとすることができる。
【００１０】
そして、本発明によれば、ＡＰＤ素子をペルチェ素子上に直接接触するように配置したため、効率良くＡＰＤ素子を冷却することができ、最大冷却温度で−６２℃と従来品に比べ２０℃以上の向上を図ることができる。
【００１１】
また、ＡＰＤ素子を実使用状態の温度に冷却した状態で光軸調整を行うため、実使用の冷却状態での温度変化による特性の変化を少なくすることができ、冷却時に光軸がずれて結合効率が劣化することを防止することができる。
【００１２】
さらに、ＡＰＤ素子のみを冷却するため、使用するペルチェ素子を小型化することが可能となるとともに、パッケージの内部に光学部品を配置しないため、パッケージの体積を従来比で約１／２と小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明にかかる光モジュールの一実施の形態を示し、この光モジュールは、波長１５５０ｎｍ帯の感度を有し、光信号を電気信号（光電流）に変換するＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）素子３を、−５０℃以下となるよう十分な冷却を可能とするペルチェ素子７上に、低温半田、銀ペースト等を用い、ＡＰＤ素子３の受光面を熱によって損傷しないように強固に固着する。また、ペルチェ素子７の上部には、温度測定のためのサーミスタ１０も同様に低温半田、銀ペースト等を用いて固着される。
【００１５】
前記ＡＰＤ素子３及びサーミスタ１０を上部に固着したペルチェ素子７は、周囲を気密構造としたパッケージ５の所定の位置に、低温半田を用いて固着される。パッケージ５は、外部からの電気信号を入力するため、及びＡＰＤ素子３からの電気信号を出力するため、ガラスにより気密封止した端子を有し、ＡＰＤ素子３及びサーミスタ１０は、ボンディングにより、また、ペルチェ素子７は、リード線を介して半田工法により各々の端子と接合される。
【００１６】
上記のようにして組み立てたパッケージ５は、熱伝導率の低い窒素雰囲気又はキセノン雰囲気内でカバーを用いて強固に周囲をシーム溶接し、パッケージ５の内部の気密を維持する。ここで、パッケージ５の内部のＡＰＤ素子３の受光面と、外部から光結合を取るため、信号光の反射抑制を考慮し、５度斜めに光学研磨したＢＫ−７製窓ガラス６を、パッケージ５との気密保持のため、低融点ガラスにより固着している。
【００１７】
信号光を伝搬する目的の光ファイバ１は、反射光を抑制するため、先端に５度斜めに光学研磨したフェルール２を有し、ＡＰＤ素子３のφ３０μｍの受光面との光結合を取るための結合レンズ４（本実施の形態ではＧＲＩＮレンズを採用）を介し、各々フェルール２及び結合レンズ４をマニピュレータにてＸ、Ｙ、Ｚ軸の調整を行い、受光面に対して最適位置に調整し、集光結合している。
【００１８】
最適結合位置に各々調整したフェルール２及び結合レンズ４は、ガラスサポート８を介し、パッケージ５にＵＶ接着９により強固に固定されている。ＡＰＤ素子３の受光面に最適に集光入射した信号光は、ＡＰＤ素子３内で光信号から電気信号に変換され、光電流としてパッケージ５の外部の端子に出力される。本発明では、パッケージ５の外部に光学部品を配置することにより、従来のようにパッケージの内部に光学部品を配置した構造とは異なり、性能、信頼性で特に優れた冷却型ＡＰＤモジュールを提供することができる。
【００１９】
次に、上記構成を有する光モジュールの動作について説明する。
【００２０】
図１に示すように、光ファイバ１のコネクタ側より導光された信号光は、他端の反射抑制のために５度斜めに光学研磨されたフェルール２より出射される。フェルール２より出射された信号光は、そのままでは出射ビームが拡がってしまうため、集光結合を可能とする結合レンズ４に入射される。ＡＰＤ素子３の受光面に最適に集光入射した信号光は、光信号から電気信号変換され、光電流としてパッケージ５外部の端子に出力される。
【実施例】
【００２１】
パッケージ５内のＡＰＤ素子３の温度を量子暗号化通信に有効な−５０℃以下にするためには、低温側、高温側の２段より構成されたペルチェ素子７の上に、ＡＰＤ素子３を低温半田、銀ペースト等を用いて固着する。また、ＡＰＤ素子３の実際の温度測定のため、サーミスタ１０も低温半田、銀ペースト等によりペルチェ素子上７のＡＰＤ素子３の近傍に固着する。
【００２２】
ＡＰＤ素子３、サーミスタ１０を固着したペルチェ素子７をパッケージ５内の所定の位置に低温半田にて固定し、パッケージ５の外部からＡＰＤ素子３に逆電圧を入力する目的、及びペルチェ素子７に電圧を入力する目的で、ＡＰＤ素子３からの光電流及びサーミスタ１０の温度測定用に抵抗値を出力するため、ガラスにより気密封止した端子を有し、ＡＰＤ素子３、サーミスタ１０、及びペルチェ素子７が各々前記端子と接合される。
【００２３】
また、パッケージ５と結合レンズ４の境界面は、反射を抑制するため、５度斜めに加工したＢＫ−７製窓ガラス６を配置し、パッケージ５と低融点ガラスにより固着され、パッケージ５の周囲の気密が維持される。
【００２４】
ペルチェ素子７等を固着したパッケージ５は、熱伝導率の小さい窒素又はキセノン雰囲気内で、パッケージ５と同一材質のカバーを用い、周囲をシーム溶接し、パッケージ５の内部全体での気密を保持している。
【００２５】
パッケージ５の外部からＡＰＤ素子３のφ３０μｍ受光面と光結合を取るためには、光ファイバ１のコネクタ側より導光された信号光を、他端の反射抑制のために５度斜めに光学研磨されたフェルール２より出射させ、出射ビームの集光結合を可能とする結合レンズ４に入射する。
【００２６】
尚、フェルール２及び結合レンズ４は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の調整が可能となるようにマニピュレータに取り付けられ、パッケージ５内部に配置されたＡＰＤ素子３のφ３０μｍの受光面に対し、最適に光結合を取る目的でマニピュレータを各々調整した後、ガラスサポート８を介して強固にパッケージ５にＵＶ接着剤９により固定する。
【００２７】
ＡＰＤ素子３の受光面に最適に集光入射した信号光は、ＡＰＤ素子３内で光信号から電気信号変換され、光電流としてパッケージ５外部の端子に出力される。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、上記光モジュールと同様、低温又は高温一定温度で動作させる受光モジュールやＬＤモジュールに代表される発光モジュ―ル等に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明にかかる光モジュールの一実施の形態としてのＡＰＤモジュールを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】従来の光ファイバージャイロ装置の一例を示す断面図である。
【図３】従来の冷却型ＡＰＤモジュールの一例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  光ファイバ
２  フェルール
３  ＡＰＤ素子
４  結合レンズ
５  パッケージ
６  窓ガラス
７  ペルチェ素子
８  ガラスサポート
９  ＵＶ接着
１０  サーミスタ
１１  光ファイバ
１２  フェルール
１３  ＡＰＤ素子
１４  結合レンズ
１５  パッケージ
１６  切削ブロック
１７  ＣＡＮパッケージ
１８  ペルチェ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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