(57)【要約】【課題】光ファイバ用極低温温度制御装置において、金属の収縮による熱伝導性の悪化により、低温までうまく温度制御ができないという課題を解決する。【解決手段】真空容器内において、冷却ユニットの液体ヘリウムにより直接あるいは間接的に冷却される金属の円柱型ホルダー（１０６）に、光ファイバ（３０１）を効率的に巻きつけるための溝（２０１）を設け、熱伝導媒質（真空用グリース）（２０２）でその溝を埋めた構造を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内蔵した被冷却光ファイバを外部環境から断熱するための真空容器と、
前記真空容器の側面に取り付けられて前記被冷却光ファイバを該前記真空容器の外部から内部へ、また該前記真空容器の内部から外部へ導くための入出力ポートと、
前記真空容器の内部に取り付けられて外部から注入された液体ヘリウムによって直接冷却される金属製の冷却ユニットと、
前記真空容器の内部に取り付けられて前記冷却ユニットと端面が互いに熱的に接触している金属製の円柱型光ファイバホルダーと、
前記円柱型光ファイバホルダーの側面上に円周方向に沿って複数本平行に形成され前記被冷却光ファイバを収納するための三次元形状の溝と
を具備し、前記被冷却光ファイバが複数周回にわたって該溝の壁面と接触するように巻かれていることを特徴とする光ファイバ用極低温温度制御装置。
【請求項２】
前記複数本並行に形成された各前記溝のそれぞれの隣接溝間を互いに滑らかに連結するための斜形の連結溝部を有し、一連の前記被冷却光ファイバは該連結溝部を通って隣接の溝に導かれることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用極低温温度制御装置。
【請求項３】
前記被冷却光ファイバと前記溝の壁面との熱接触効率を向上させるための真空用グリースが該溝の内部に充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ用極低温温度制御装置。
【請求項４】
前記真空容器の内部に該真空容器と断熱して取り付けられて、該真空容器の内側表面から生じる熱輻射から前記被冷却光ファイバを遮蔽するための輻射シールドを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光ファイバ用極低温温度制御装置。
【請求項５】
前記被冷却光ファイバに対して室温から液体ヘリウム温度である４Ｋまでの範囲内で冷却温度を制御することが可能であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光ファイバ用極低温温度制御装置。
４
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルとなる光ファイバの温度を、室温から液体ヘリウム温度である４Ｋ(Ｋはケルビン温度、絶対温度ともいう)までの範囲内で精密に制御することを可能にする光ファイバ用極低温温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年急速に発展してきている量子情報通信の分野において、信号となる単一光子を検出する際に、室温から液体窒素温度（７７Ｋ）の範囲内では光ファイバ中で散乱された光が雑音となり、信号と雑音の比を表すＳＮ比（信号対雑音比）を低下させる要因となっている。その解決策として、光ファイバを液体ヘリウム温度（４Ｋ）という更なる低温にまで冷却し、この散乱を抑制して雑音を取り除く方法が考えられる。
【０００３】
また、将来量子情報通信網を実現するために必要な量子情報を一時的に記録する媒体として、希土類イオンをドープした光ファイバが一つの候補として挙げられるが、その記録時間は光ファイバの温度が低温になるほど長くなる。  
このように、光ファイバを液体ヘリウム温度である４Ｋまで冷却することは、学術的及び産業的発展の観点から見て大変意義深いものである。
【０００４】
光ファイバを室温から液体ヘリウム温度である４Ｋまで冷却する方法としては、真空容器内で行う以下の３つの方法が考えられている。すなわち、これらの方法は、容器内に溜められた液体ヘリウムに直接光ファイバを浸して冷却する方法（液漬け方式という）(非特許文献２のp.120と非特許文献１のp.59の図1.70参照)と、ホルダーに巻かれた光ファイバにヘリウムガスを吹き付けて冷却する方法（ガスフロー方式という）（非特許文献２のp.152参照）と、光ファイバが巻き付けられた金属製円柱型ホルダーを液体ヘリウムで直接冷却された冷却ユニットとの熱接触で冷却し、その冷却されたホルダーを介して熱伝導によって間接的に光ファイバを冷却する方法（真空熱接触方式という）（非特許文献２のp.131と非特許文献１のp.59の図1.71参照）である。
【０００５】
【非特許文献１】飯田修一他「極端条件技術」  物理測定技術７  朝倉書店  p.58〜61,
【非特許文献２】近角聡信  「実験物理学講座15：低温」共立出版  p.119-121,128-131,152-153
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の液漬け方式は、光ファイバの温度を４Ｋに保ったまま実験を行う場合には利用されているが、液体ヘリウム温度に限定されてしまい、温度を変化させることができない。また、液体ヘリウムを短時間の間に大量に消費してしまうことから４Ｋを保持できる時間は４〜５時間程度に限られる。さらに、必然的に装置のサイズが大きくなってしまうという問題点を有している。
【０００７】
また、従来のガスフロー方式の問題点としては、
１）単独では充分な冷却が行われず、初めに液漬けにより初期温度を低下させておく必要がある点、
２）１）により液漬け方式と同じく装置のサイズが大きくなってしまう点、
３）温度を制御する際の制御範囲と温度安定性がそれぞれ４Ｋ〜８０Ｋ、±０．５Ｋに限られてしまう点が挙げられる。
【０００８】
また、従来の真空熱接触方式では、金属製円柱型ホルダーが間接的に液体ヘリウムで極低温に冷却されることで生じる金属の熱収縮により、ホルダーの側面に巻き付けられていた光ファイバとホルダー表面との間に隙間が生じ、接触による熱伝導の効率が著しく低下してしまう。そのため、実際には室温から６０Ｋ程度までしか光ファイバが冷却されないという問題点がある。
【０００９】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたもので、その目的は、小さなサイズの光ファイバのサンプルに対しては装置のサイズがコンパクトで、長時間冷却可能であり、かつ±０．１Ｋという高い温度安定性が得られている真空熱接触方式を用いた冷却装置において、光ファイバと金属製円柱型ホルダーの密着性を改善することにより、熱効率を改善し、室温から４Ｋの範囲内で精密に温度制御できる光ファイバ用極低温温度制御装置を提供することにある。
【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、本発明は、光ファイバ用極低温温度制御装置中に設置される金属製円柱型光ファイバホルダーの側面に円周方向に沿って複数本の平行に溝型の三次元形状加工を施し、溝内部の底面に被冷却光ファイバの側面が何周にも亘って接触するように巻くことを特徴とする。この構成により、温度低下時に金属が熱収縮することで生じる、円柱型光ファイバホルダーと被冷却光ファイバとの熱接触表面積の減少を防ぎ、接触による高い熱伝導効率を維持することができるので、温度変化に対して広範な熱接触表面積を維持しながら、効率的に被冷却光ファイバを冷却することができる。
【００１１】
また、上記の溝内に熱伝導媒質である真空用グリースを充填して、溝に沿って巻き付けられている被冷却光ファイバと溝内部のあらゆる面とをグリースを介して熱的に接触させることで、熱伝導効率（熱接触効率）はさらに向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、真空熱接触方式の光ファイバ用極低温温度制御装置において、上記構成により光ファイバと金属製円柱型ホルダーの密着性を改善しているので、熱効率を大幅に改善することができ、例えば４Ｋという極低温でも効率良く光ファイバを冷却することが可能である。従って、本発明によれば、冷却温度限界が現在の６０Ｋから４Ｋへと格段に向上し、冷却温度範囲も格段に広がることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１から図５までは本発明の好ましい一つの実施形態を表した図である。図１（Ａ）は本発明を適用した光ファイバ用極低温温度制御装置を側面から見た断面図、図１（Ｂ）はその装置を鉛直上方向から見た断面図、図２は図１中に示されている光ファイバホルダーを正面から見た図（正面図）、図３は図２中のａの部分を正面から拡大した図、図４は図２中ｂの部分を正面から拡大した図、図５は図２中のｂの部分を鉛直上方向から拡大した図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の光ファイバ用極低温温度制御装置は、その内部に含まれた被冷却光ファイバを外部環境から断熱するための真空容器１０１を有し、この容器１０１の側面に容器内部から容器外部へ、および容器外部から容器内部へとそれぞれ光ファイバを導く２つのポート１０２、１０３を有している。この光ファイバには装置外部で光が入射され、光ファイバを介して装置を通った光が装置外部で取り出される。さらに、容器内部に取り付けられた熱輻射を遮るための輻射シールド１０４と、このシールド内部に取り付けられて液体ヘリウムが流れる熱伝導性の高い金属製の冷却ユニット１０５とを有し、この冷却ユニット１０５と端面が互いに熱的に接触した熱伝導性の高い金属製の円柱型光ファイバホルダー１０６に光ファイバが巻き付けられている。冷却ユニット１０５は輻射シールド１０４と断熱している。外部より注入される液体ヘリウム（一次冷却媒体）によって直接冷却された冷却ユニット（二次冷却媒体）１０５との熱接触によって光ファイバホルダー（三次冷却媒体）１０６は冷却され、さらに光ファイバホルダー１０６と光ファイバとの熱接触によって光ファイバは、液体ヘリウムにより間接的に冷却される。
【００１６】
ところで、従来の金属製円柱型光ファイバホルダーでは、４Ｋという極低温まで冷却された場合、熱収縮によりそのホルダー側面に巻き付けた光ファイバとホルダー表面との間に隙間が生じ、光ファイバが６０Ｋ程度までしか冷却されないという解決すべき点があった。この金属の収縮による熱伝導性の悪化により、低温までうまく温度制御ができないという課題を解決するために、本発明では、図２、図３に示すように金属製円柱型光ファイバホルダー１０６の側面（周面）にコの字型の溝２０１を形成している。すなわち、円柱型光ファイバホルダー１０６の側面にある一定方向に沿って複数本平行に三次元形状加工の溝２０１が施されている。光ファイバ３０１をこれらの溝２０１に沿わせて巻きつけることで、光ファイバ３０１はホルダー１０６が冷却されて熱収縮した場合でも、常時図３に示すように、溝底面２０１Ｃに接触することができる。なお、２０１Ａは溝天面、２０１Ｂは溝側面である。また、図３では１つの溝に光ファイバ３０１を複数回重ねて巻き付けた状態を示している。
【００１７】
以下に、これらの状況を数値によって具体的に考察していく。
【００１８】
例えば、直径が４０ｍｍの金属製円柱型光ファイバホルダー１０６の場合、室温から４Ｋにまで冷却されると、動径方向（軸心を端点する半直線方向）に０．２ｍｍ収縮することになる。これは、光ファイバ３０１の直径０．２５ｍｍ（２５０μｍ）とおよそ同程度の長さである。一方、そのホルダー１０６の側面に光ファイバ３０１が、ホルダーの軸心に対して水平方向に巻き付けられているとすると、仮に室温から４Ｋにまで光ファイバが冷却されたとしても、光ファイバー３０１はその長手方向に一周あたり１３μｍしか収縮しない。仮に、ホルダー１０６の側面を一周する光ファイバ３０１が円形を保つと仮定すると、円周の長さが１３μｍだけ収縮することになり、動径方向へはわずか４μｍの収縮となる。つまり、４Ｋにおいて、ホルダー１０６の熱収縮による動径方向の変位に光ファイバ３０１が追随できず、本発明で提案する後述のような溝がない従来技術の場合には、図６の（Ａ），（Ｂ）に示すように、ホルダー１０６の側面と光ファイバ３０１との間に、およそ０．１ｍｍ程度の隙間が生じることになる。
【００１９】
一方、金属製円柱型光ファイバホルダー１０６の側面にコの字型（断面が矩形のこと）の溝２０１を彫った場合には、図７の（Ａ），（Ｂ）に示すように、ホルダー１０６が室温から４Ｋに冷却されて動径方向に０．２ｍｍ収縮したとしても、光ファイバ３０１は常に溝底面２０１Ｃに接触することとなる。
【００２０】
また、ホルダー１０６の熱収縮は動径方向だけでなく鉛直方向にも起きるが、１つの溝２０１が鉛直上向きに収縮した場合には、光ファイバ３０１と溝底面２０１Ｃとの接触が維持されることは明らかである。逆に、ホルダー１０６が鉛直下向きに収縮したとしても、重力の影響で溝底面２０１Ｃの変位に光ファイバ３０１も追随するので、依然として光ファイバ３０１と溝底面２０１Ｃとの接触を保つことができる。このように、本発明を適用した場合は、鉛直方向の熱収縮に関しても極低温での光ファイバ３０１とホルダー１０６の熱接触に対して何ら問題は生じない。
【００２１】
室温から４Ｋにまで冷却した場合に、実際にどの程度、鉛直方向に縮むかを計算してみると、ホルダー１０６の高さが１５ｍｍの場合、全体で７３μｍ縮む。この縮み量は、高さが０．５ｍｍのコの字型の溝１つあたりにすると、約５μｍの縮み幅となり、この縮み幅は直径２５０μｍの光ファイバ３０１に比べて無視できるほど小さい。このことからも、鉛直方向の収縮は熱接触に対して問題とならないことが分かる。
【００２２】
以上説明した本発明による溝構造により、極低温における金属の熱収縮によるホルダー１０６と光ファイバ３０１の熱接触の問題は解決されるが、さらに光ファイバ３０１の冷却を確実なものとするために、溝２０１の内部に熱伝導効率を向上させるための熱伝導媒質として真空用グリース２０２を充填し、溝底面２０１Ｃだけでなく、溝２０１のあらゆる面と光ファイバ３０１とが真空用グリース２０２を介して熱接触するように構成するとより好ましい。その真空用グリース２０２としては、例えば周知のフッ素系グリース等が利用できる。
【００２３】
また、本実施形態では、溝２０１について、ある溝から隣の溝へと光ファイバ３０１を滑らかに沿わせるために、溝同士を接続するライン（連結溝、連絡溝）４０１を彫る。図２、図４、図５にその溝２０１のライン４０１の様子を示す。図４に示すように、ライン４０１の幅は０．３ｍｍに設計し、溝２０１からライン４０１へと光ファイバ３０１を移行する際に曲げ損失が生じないように、ライン４０１と溝２０２の間の角度を浅くする。例えば、図５に示すように、溝２０１の円周上でのライン４０１の長さを５ｍｍに設計し、ライン４０１と溝２０１の間の角度を３．４°とする。
【００２４】
ところで、室温から４Ｋにまで冷却した場合、熱収縮によりホルダー１０６の側面を水平に一周した際の光ファイバ３０１の長さが室温時に比べて０．６ｍｍ短くなる。つまり、４Ｋではこの円周上でのライン４０１の長さは４．４ｍｍに縮み、ライン４０１の幅は０．３ｍｍから０．２６ｍｍに縮むが、光ファイバ３０１の直径が０．２５ｍｍなので、ライン４０１に沿って巻きついている光ファイバ３０１が金属の熱収縮による影響を受けることはない。
【００２５】
なお、図５に示すように、ライン４０１の幅が溝２０１の部分よりもかなり狭く形成されているが、これは図３に示したように、１つの溝２０１に光ファイバ３０１が複数回、重ねて巻き付けられる場合に適合させるためである。また、１つの溝２０１に光ファイバ３０１を１回だけしか巻きつけない場合でも、上記のラインつき溝を利用することができるが、この場合は、溝２０１を一連の螺旋状溝に形成してもよい。
【００２６】
（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。例えば、上記の実施形態では、コの字型の溝２０１と説明したが、これに限らず、Ｕ字型の溝でも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態の光ファイバ用極低温温度制御装置の構成を示すもので、（Ａ）はその装置を側面から見た断面図、（Ｂ）はその装置を鉛直上方向から見た断面図である。
【図２】図１中に示してある金属製円柱型光ファイバホルダーを正面から見た正面図である。
【図３】図２中のaの部分を正面から拡大した図である。
【図４】図２中のｂの部分を正面から拡大した図である。
【図５】図２中のｂの部分を鉛直上方向から拡大した図である。
【図６】従来技術の金属製円柱型光ファイバホルダーと光ファイバの位置関係を室温の場合（Ａ）と４Ｋの場合（Ｂ）に対して鉛直上方向から示した平面図である。
【図７】本発明の一実施形態における金属製円柱型光ファイバホルダーに彫られた溝と光ファイバの位置関係を室温の場合（Ａ）と４Ｋの場合（Ｂ）に対して正面から拡大した図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１  真空容器
１０２  ポート
１０３  ポート
１０４  輻射シールド
１０５  冷却ユニット
１０６  金属製円柱型光ファイバホルダー
２０１  溝
２０２  真空用グリース
３０１  光ファイバ
４０１  ライン（連結溝）
【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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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年10月4日(2007.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記被冷却光ファイバに対して室温から液体ヘリウム温度である４Ｋまでの範囲内で冷却温度を制御することが可能であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光ファイバ用極低温温度制御装置。