JP2007173498A - Optical module - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an optical module, and more particularly to an optical module such as a cooled APD module used for quantum cryptography communication.
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。
Conventionally, in an optical fiber gyro apparatus, the output noise and thermal noise of a light receiving element increase corresponding to an increase in the absolute temperature. Therefore, as shown in FIG. 2, when cooling the light receiving element and keeping it at a low temperature, for example, Patent Document 1 discloses a
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。
The Peltier
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。
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。
However, in the optical fiber gyro apparatus described in Patent Document 1, since the light
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。
In the cooling type APD module described above, similarly, the
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。
Further, in the conventional cooled APD module, the
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。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and can sufficiently cool the light receiving element of the optical fiber gyro device, the APD element of the cooling type APD module, etc. An object of the present invention is to provide an optical module in which the optical axis does not shift and the coupling efficiency does not deteriorate.
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。 In order to achieve the above object, the present invention provides an optical module in which a cooling element on which an optical element is mounted is accommodated in a package enclosing nitrogen or xenon, and the optical element is disposed outside the package. Are optically coupled using an optical coupling member. Here, the optical element may be an APD element, the cooling element may be a Peltier element, and the optical coupling member may be a coupling lens and an optical fiber.
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。 According to the present invention, since the APD element is arranged so as to be in direct contact with the Peltier element, the APD element can be efficiently cooled, and the maximum cooling temperature is −62 ° C., which is 20 ° C. or higher compared to the conventional product. Improvements can be made.
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。 In addition, since the optical axis adjustment is performed with the APD element cooled to the temperature in the actual use state, the change in characteristics due to the temperature change in the actual use cooling state can be reduced, and the optical axis is shifted and coupled during cooling. It is possible to prevent the efficiency from deteriorating.
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。 Furthermore, since only the APD element is cooled, the Peltier element to be used can be reduced in size, and since no optical components are arranged inside the package, the volume of the package is reduced to about 1/2 of the conventional volume. can do.
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。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 shows an embodiment of an optical module according to the present invention. This optical module has a sensitivity in a wavelength band of 1550 nm and converts an optical signal into an electric signal (photocurrent) (InGaAs-APD (avalanche photo)). Diode) The element 3 is made of a low temperature solder, silver paste or the like on the Peltier element 7 that allows sufficient cooling so that the temperature becomes -50 ° C. or less, and the light receiving surface of the APD element 3 is firmly prevented from being damaged by heat. Stick. Further, the
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。
The Peltier element 7 having the APD element 3 and the
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。
The package 5 assembled as described above is tightly seam welded to the surroundings using a cover in a nitrogen atmosphere or a xenon atmosphere having a low thermal conductivity, and the airtightness inside the package 5 is maintained. Here, in order to optically couple the light receiving surface of the APD element 3 inside the package 5 from the outside, the
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。
The optical fiber 1 for the purpose of propagating signal light has a
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。
The
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。 Next, the operation of the optical module having the above configuration will be described.
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。
As shown in FIG. 1, the signal light guided from the connector side of the optical fiber 1 is emitted from a
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。
In order to set the temperature of the APD element 3 in the package 5 to −50 ° C. or less effective for quantum encryption communication, the APD element 3 is placed on the Peltier element 7 composed of two stages of the low temperature side and the high temperature side. Fix using low-temperature solder, silver paste, etc. In order to measure the actual temperature of the APD element 3, the
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。
The Peltier element 7 to which the APD element 3 and the
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。
The boundary surface between the package 5 and the
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。 The package 5 to which the Peltier element 7 or the like is fixed has a low thermal conductivity in a nitrogen or xenon atmosphere, uses a cover made of the same material as the package 5, and is seam welded to maintain hermeticity throughout the interior of the package 5. ing.
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。
In order to optically couple with the φ30 μm light receiving surface of the APD element 3 from the outside of the package 5, the signal light guided from the connector side of the optical fiber 1 is optically polished at an angle of 5 degrees to suppress reflection at the other end. The light is emitted from the
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。
The
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。 The signal light that is optimally collected and incident on the light receiving surface of the APD element 3 is converted into an electrical signal from the optical signal in the APD element 3 and is output to a terminal outside the package 5 as a photocurrent.
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。 The present invention can be applied to a light receiving module that is operated at a low temperature or a high temperature constant temperature, a light emitting module typified by an LD module, and the like, similarly to the above optical module.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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JP2005368950A JP2007173498A (en) | 2005-12-22 | 2005-12-22 | Optical module |
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