JP5478913B2 - 光検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部からの光を取り入れて検出する光検出装置に関するものである。

従来から、外部からの微弱光を検出するための様々な対策が施された検出装置が開発されている。例えば、２本の光導入プローブから入射した光を遮光気密容器内部の受光素子で受光し、この受光素子で得られた受光信号の差分を増幅する微弱光検出装置が知られている（下記特許文献１参照）。この微弱光検出装置の光導入プローブには、遮光気密容器の外側の周囲を覆うチューブが設けられ、２つの光導入プローブ内の光ファイバ束の温度を安定化して２つの光導入プローブに入る背景光を同じレベルとした後、２つ信号光のレベルのバランスを取るようになっている。

また、筐体内に光電管を内蔵する光検出装置であって、光電管のノイズ発生の防止のために筐体内の光電管を受光面板側から冷却するための冷却素子を内蔵する装置が開示されている（下記特許文献２参照）。さらに、ストリーク管の光電面が形成される面板内に光ファイバが埋め込まれ、面板の外側はファイバケーブル部分を除く遮光用物質で被覆することにより、迷光やもれ光の影響を少なくしたストリーク管や（下記特許文献３参照）、光信号が流れる光ファイバの端面上に光電面を形成することにより熱雑音を低下させた光検出装置（下記特許文献４参照）が知られている。

特開平１１−１０１６８６号公報 特開２００４−１６３２７２号公報 特開昭６１−１８３８５７号公報 国際公開ＷＯ２００４／０１３５９０号パンフレット

しかしながら、上述したような従来の装置では、近赤外領域の微弱光の検出を行う際に、光検出器や受光素子自体の感度の上昇に伴って、光検出器や受光素子を取り巻く物体からの黒体輻射の影響が大きくなる結果、暗電流が増大してしまう傾向にある。すなわち、黒体輻射は外部から光検出器や受光素子に至るまでの領域において発生しうるが、特許文献１に記載の微弱光検出装置では、光ファイバから受光素子の近傍までの広範囲における黒体輻射による影響を除去することは困難である。また、特許文献２〜４に記載された装置においても、外部や光ファイバ自体からの背景光（黒体輻射）による暗電流の発生を防止することは困難である。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、微弱光の検出の際の暗電流の発生を低減することが可能な光検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光検出装置は、筐体内に光検出器を内蔵する光検出
装置であって、光検出器に対して、筐体の内部で接続される光ファイバと、筐体内の光フ
ァイバの所定長さの範囲に対して接触する冷却部とを備え、冷却部は、光ファイバを背景
光除去手段として機能させ、光ファイバの所定長さの冷却長（ｃｍ）は、光ファイバのコア径（μｍ）に対して下記式（１）；冷却長＝２４．３×｛１−ｅｘｐ（−０．００２８×コア径）｝…（１）に示す値に設定される、ことを特徴とする。或いは、本発明の光検出装置は、筐体内に光検出器を内蔵する光検出装置であって、光検出器に対して、筐体の内部で接続される光ファイバと、筐体内の光ファイバの所定長さの範囲に対して接触する冷却部とを備え、冷却部は、光ファイバを背景光除去手段として機能させ、光ファイバの所定長さの冷却長（ｃｍ）は、光ファイバのコア径（μｍ）に対して下記式（２）；冷却長＝０．０１４３×コア径…（２）に示す値に設定される、ことを特徴とする。

このような光検出装置によれば、光ファイバが筐体内において光検出器に接続され、筐体内の所定長さの範囲において冷却部によって冷却されているので、光ファイバを、外部から光検出器までの間で発生した背景光を除去する背景光除去手段として機能させることができる。その結果、微弱光の検出時の暗電流を低減することができる。

光ファイバは、所定長さの範囲において冷却部に巻回されている、ことが好適である。この場合、光ファイバの冷却範囲の長さを確保することができるので、微弱光検出時の暗電流を効率的に低減することができる。

また、光検出器は、光電面が形成された面板を有し、光ファイバは、その端部が面板に対向して配置されている、ことも好適である。かかる構成を採れば、光ファイバの端部から光検出器の間での背景光の影響を少なくすることができるので、暗電流をより一層低減することができる。

本発明によれば、微弱光の検出の際の暗電流の発生を低減することができる。

本発明の好適な一実施形態に係る光検出装置の一部破断側面図である。 図１の光電子増倍管の接続状態を詳細に示す側面図である。 図１の光検出装置と同条件のシステムにおける暗電流の温度特性を示すグラフである。 図１の光検出装置と同条件のシステムにおける暗電流の温度特性を示すグラフである。 図１の光検出装置と同条件のシステムにおいて冷却長を変化させた場合の暗電流の変化を示すグラフである。 図１の光検出装置と同条件のシステムにおいてコア径を変化させた場合の必要冷却長の変化を示すグラフである。 図１の光検出装置と同条件のシステムにおいてコア径を変化させた場合の従来方式に比べＳＮ比を１桁改善させるに必要な必要冷却長の変化を示すグラフである。 本実施形態の原理を説明するためエネルギーバンドモデルを示す図である。 本発明の変形例である光検出装置を示す一部破断側面図である。 本発明の変形例である光検出装置を示す一部破断側面図である。 本発明の比較例に係る光検出装置の一部破断側面図である。 図１１の光電子増倍管の光学的な接続状態を詳細に示す側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態に係る光検出装置の一部破断側面図、図２は、図１の光電子増倍管の接続状態を詳細に示す側面図である。

図１に示す光検出装置１は、近赤外領域の微弱光を検出するための装置であり、外部から光を導入するための光ファイバケーブル２と、光ファイバケーブル２の一端側が内部に挿入される筐体３と、筐体３内に配置され、光ファイバケーブル２に導入された光を検出して検出信号を出力する光電子増倍管（光検出器）４、冷却素子（冷却部）５、及び冷却ブロック（冷却部）６Ａ，６Ｂとを備えている。

筐体３は、内部が気密に封止された直方体状の真空容器であり、この筐体３の一端面３ａには光ファイバケーブル２が、シーリング（図示せず）を介して気密に貫通されている。この光ファイバケーブル２は、筐体３の外側の端部２ａから光が入射されると、筐体３の内側の端部２ｂまでその光を導光して端部２ｂから出射する。光ファイバケーブル２としては、様々なコア径を有するシングルモードファイバや、マルチモードファイバが採用されうるが、本実施形態においては暗電流低下の観点からコア径が比較的小さいシングルモードファイバが好適に用いられる。なお、光ファイバケーブル２は、物理的に１本のケーブルが筐体３を貫通する場合には限定されず、一端面３ａに気密に光ファイバ用コネクタを装着し、筐体３の内外で２本の光ファイバケーブルを接続したものを光ファイバケーブル２としてもよい。

筐体３の一端面３ａに対して反対側の端面３ｂには、リード線７Ａを介して光電子増倍管４の動作に必要な高電圧を供給し、リード線７Ｂを介して冷却素子５を駆動する電力を供給するための複数のリードピン８を有する気密コネクタ９と、リード線７Ｃを介して光電子増倍管４からの信号を取り出す気密コネクタ１０とがそれぞれシーリング（図示せず）を介して気密に装着されている。そして、筐体３内は真空引きされて真空状態に保持されている。ここで、筐体３は、少なくとも冷却素子５が接触する底面側の面板３ｃの全部又は一部が例えばアルミニウム合金や銅合金などの熱伝導性の高い金属材料で構成されている。

このような筐体３の内部において、面板３ｃの内面には、吸熱部５ａ及び放熱部５ｂを有する冷却素子５が、放熱部５ｂを面板３ｃに押圧された状態で固定されている。この冷却素子５は、気密コネクタ１０及び温度調節器（図示せず）を介して供給される電流によりペルチェ効果を発揮して、一方の面板の吸熱部５ａが温度低下し、他方の面板の放熱部５ｂが温度上昇するペルチェ素子で構成されている。

冷却素子５の吸熱部５ａには、平板状の冷却ブロック６Ａが吸熱部５ａに面接触した状態で固定され、この冷却ブロック６Ａの冷却素子５に対して反対側の面上には、冷却ブロック６Ｂが固定されている。冷却ブロック６Ｂは、冷却ブロック６Ａに面接触する固定片１１の端部から支持突片１２が略直角に突出する側面視Ｌ字状に形成されている。これらの冷却ブロック６Ａ，６Ｂは、例えばアルミニウム合金や銅合金などの熱伝導性の高い金属材料で構成されている。

筐体３内に挿入される光ファイバケーブル２は、筐体３内の所定長さの範囲が冷却ブロック６Ａの側面に巻回されることにより冷却ブロック６Ａの側面に接触している。この冷却ブロック６Ａに巻回させる長さは、光ファイバの種類に応じて適宜設定されるが、例えば１５０ｃｍに設定される。

一方、冷却ブロック６Ｂの支持突片１２には、光電子増倍管４が固定されている。この光電子増倍管４は、例えば石英ガラス製の受光面板４Ａが金属製の円筒状の側管４Ｂの一端部に装着されたヘッドオン型の光電子増倍管である。この光電子増倍管４は、受光面板４Ａの内面に形成された光電面および側管４Ｂに内蔵されたダイノード（図示せず）などによって波長約１．７μｍまでの近赤外領域の微弱光も電気信号と検出可能に構成されている。また、光電子増倍管４への印加電圧を外部から制御し、光電子増倍管４の検出信号を筐体３の外部へ導くために、光電子増倍管４はリード線７を介して気密コネクタ９に設けられたリードピン８に接続されている。

このような光電子増倍管４は、その受光面板４Ａの表面を支持突片１２の面に接触させた状態で固定されている。また、支持突片１２に光ファイバケーブル２が端部２ｂ側から挿入されることにより、光ファイバケーブル２が光電子増倍管４に対して光学的に接続される。詳細には、図２に示すように、支持突片１２には貫通孔１３が設けられ、光ファイバケーブル２は、その端部２ｂを受光面板４Ａに接して対向させた状態で貫通孔１３に挿入固定されている。これにより、光ファイバケーブル２の端部２ｂから出射される光が損失無く光電子増倍管４に導かれるようになっている。さらに、支持突片１２の受光面板４Ａとの接触面に対して反対側の面には、略円錐状の遮光片１４が固定されており、光ファイバケーブル２以外からの光が貫通孔１３を通じて光電子増倍管４内に入射しないようにその光を遮蔽するように構成されている。

以上説明した光検出装置１においては、冷却素子５が駆動されることにより、光電子増倍管４が冷却ブロック６Ａ，６Ｂを介して受光面板４Ａ側から冷却されると同時に、光ファイバケーブル２の筐体３内の所定長さの範囲が冷却ブロック６Ａを介して冷却される。このように光ファイバケーブル２を筐体３内で冷却することで、光ファイバケーブル２を背景光除去手段として機能させることができ、外部や光ファイバケーブル２自体から発生する黒体輻射（背景光）の影響を低減させて検出信号における暗電流を低減することができる。

以下に、本実施形態の光検出装置１の効果を、比較例と比較しつつ説明する。

図１１は、比較例に係る光検出装置９０１の一部破断側面図、図１２は、図１１の光電子増倍管の光学的な接続状態を詳細に示す側面図である。この光検出装置９０１は、筐体９０３の一端面９０３ａに光入射窓９１５が設けられ、この光入射窓９１５を介してコリメートされた入射光が、筐体９０３内の鏡筒９１６に収容されたレンズ９１７によって光電子増倍管４の受光面板４Ａに形成された光電面に集光されるように構成されている。筐体９０３の底面側の面板９０３ｃ上には冷却素子５及び冷却ブロック６Ｂが順に配置されている。冷却ブロック６Ｂは固定片１１と支持突片１２とから構成され、支持突片１２の両側に鏡筒９１６及び光電子増倍管４がそれぞれ固定されている。図１２に示すように、支持突片１２の中央には貫通孔９１３が設けられており、光入射窓９１５によってコリメートされた入射光はレンズ９１７、貫通孔９１３を経由して光電子増倍管４の受光面板４Ａに照射される。

上記光検出装置９０１において検出信号における暗電流を測定したところ、光電子増倍管４の温度が−６０°Ｃの時、２．５Ｅ−８［Ａ］であった。次に、光検出装置９０１において黒体輻射の影響が全くないように貫通孔９１３を金属箔で覆った状態で−６０°Ｃにおける暗電流を測定したところ、７．１Ｅ−１１［Ａ］であった。背景光輻射は温度によってスペクトルが変わり、−６０°Ｃの金属箔からは光電子増倍管４の感度波長域における背景光は殆どゼロと見なすことができ、検出器本来の暗電流を測定することができる。この結果より、光検出装置９０１は貫通孔を通して光検出器に入射光を導くという工夫や、受光面板を冷やすという工夫はされているものの、依然として背景光の影響を強く受けていることが分かる。

次に、冷却された光ファイバを介して光を導入するシステムを製作して、本実施形態にかかる光検出装置１と同様な条件における暗電流の評価を行った。すなわち、冷却した乾燥窒素を用いた冷却器内に光ファイバを挿入し、その冷却器内で光ファイバを光電子増倍管４の受光面板４Ａに密着させることにより、光ファイバの冷却器に挿入された部分と光電子増倍管４とを同じ温度に冷却した。なお、光ファイバとしてコア径１０μｍ、全長１ｋｍのシングルモードファイバを用い、先端の２０ｃｍだけを−６０°Ｃの冷却器内に挿入し、冷却器外部の光ファイバは常温の暗幕で遮光した。このシステムにおける暗電流は−６０°Ｃで６．４Ｅ−１１［Ａ］と、検出器本来の暗電流の値と誤差範囲内で一致した。さらに、温度を変えながら同様の測定を行ったところ、全ての温度領域においても、光ファイバの先端を冷却器内で接続して所定長さを冷却することにより、黒体輻射による暗電流の増加は認められず、大幅な暗電流低減の効果が得られることが見出された（図３参照）。図３には、冷却された金属箔で覆って黒体輻射の影響を取り除いた場合の暗電流の温度特性を点線で示し、上記システムにおける暗電流の温度特性を実線で示している。

また、同様な測定をマルチモードファイバを用いて行った。上記と同様なシステムを採用して、全長３ｍ、コア径６００μｍのマルチモードファイバを先端の２０ｃｍだけ冷却器内に挿入した場合、シングルモードファイバほどの効果は見出せなかったが、大幅な暗電流の低下が確認された。図４には、マルチモードファイバの場合の暗電流の温度特性を示している。

さらに、上記システムにおいて、マルチモードファイバのコア径を６２．５μｍ〜６００μｍまで段階的に変化させた場合の光ファイバの冷却長に対する暗電流の変化を測定した（図５）。ファイバの冷却温度は−６０°Ｃである。この時用いた光ファイバの全長は２ｍもしくは４mであるが、冷却器内に挿入されているファイバの長さが同じであれば、冷却器の外側のファイバの長さを変えても、暗電流は全く変わらなかった。また、この測定結果において暗電流が低レベルに安定する冷却長をコア径毎に調べたところ、図６に示すような結果が得られた。これにより、コア径が大きくなるほど暗電流が低減されるに必要な冷却された光ファイバの長さ（冷却長）が長くなることが理解される。例えば、コア径６００μｍの場合は暗電流が低減される冷却長が２０ｃｍであり、コア径６２．５μｍの場合は５ｃｍであり、結果として光ファイバの冷却長は最低でも５ｃｍ以上であることが好ましいことが見て取れる。図６に示されたコア径(μm)と冷却長（ｃｍ）の関係から、下記のような関係式（１）が得られる。
冷却長＝２４．３×｛１−ｅｘｐ（−０．００２８×コア径）｝ …（１）
上記式（１）で規定される長さ以上の冷却長があれば、暗電流の低減の効果は最大限発揮できる。本願の効果が引き出せる暗電流が信号電流より多い微弱光検出領域においては、Ｓ／Ｎ(信号対ノイズ比)は暗電流のマイナス１／２乗で改善される。すなわち暗電流が１／１００になればＳ／Ｎは１桁改善される。光検出において１桁のＳ／Ｎの改善は非常に大きな検出能力の改善で意味がある。そこで、図６に示された測定条件と同じ冷却温度―６０°Ｃにおける従来検出器の暗電流である２．５Ｅ−８［A］、すなわち２５，０００［ｐA］に対して１／１００の暗電流となるに必要な冷却長を、図６の外挿から見積もった。その結果を図７に示す。このグラフからＳ／Ｎを１桁改善するに必要なファイバの冷却長とコア径の関係は、下記式（２）で示される。
冷却長＝０．０１４３×コア径 …（２）
すなわち、上記式（２）で計算される長さ以上にファイバを冷却すれはＳ／Ｎは１桁以上改善される。なお、ファイバの冷却温度を−６０°Ｃ以下に設定した場合においても、式（１）及び式（２）で決まる冷却長以上にファイバを冷却すると同様の効果が達成される。

このような光ファイバケーブルの冷却効果を説明する原理は未だ解明されていないが、発明者の考えでは、背景光そのものの発生原理を基に説明される。つまり、背景光、すなわち黒体輻射は完全に光の吸収がある黒体を仮定し、その熱平衡状態から決定される。この原理の説明にあたり、図８に示すように、基底状態（レベル１）と励起状態（レベル２）からなる状態を仮定したエネルギーバンドモデルを想定する。同図中、Ｂ_１２はレベル１からレベル２への遷移確率で光吸収の確率に相当し、Ｂ_２１は、レベル２からレベル１への遷移確率で自然放出確率であり、Ａ_２１はレベル２からレベル１への光により誘導されて遷移する遷移確率で誘導放出の確率である。ここで、ｎ_１，ｎ_２を、それぞれレベル１、レベル２における電子数とすると、下記式（３）〜（５）；
Ｂ_１２ ＝ Ｂ_２１ …（３）
Ａ_２１ ＝ （２ｈν^３／Ｃ^２）Ｂ_２１ …（４）
ｎ_１／ｎ_２ ＝ ｅｘｐ（ｈν／κＴ） …（５）
の関係が成立する。ｈはプランク定数、νはレベル１とレベル２のエネルギー差で決まる光の振動数、Ｃは真空中の光の速度、κはボルツマン定数、Ｔは温度である。上記式（３），（４）はアインシュタインの関係式と呼ばれるもので、上記式（５）は熱平衡の式である。今、平衡状態で強度がＰなる光が存在すると、下記式（６）；
ｎ_１Ｂ_１２Ｐ ＝ Ｎ_２Ａ_２１ ＋ ｎ_２Ｂ_２１Ｐ …（６）
が成立し、これより下記式（７）；
Ｐ ＝ （２ｈν^３／Ｃ^２）／｛ｅｘｐ（ｈν／κＴ）−１｝ …（７）
により光強度が決定される。この光強度Ｐが背景光の強度である。

上記のような背景光の導出式（７）から分かるように、平衡状態においては既に光の存在を仮定しており、それが外部からの光であっても無くても温度だけで決定されることになる。従って、本実施形態において光ファイバの所定範囲を冷却することにより、背景光は新たな低背景光の状態に再編され、その結果として暗電流が低下することになる。ただし、強度Ｐの光が吸収されるだけのレベル１の電子数ｎ_１が存在することが条件となるため、光ファイバの冷却長が短い場合には流入する背景光が多くて全て吸収されないため、一部背景光が残り暗電流を押し上げることになっているものと考えられる。外部から信号光を光ファイバに伝送させる場合、信号光はそもそも熱平衡状態ではなく、この再編成は起こらないため、信号光が消されることはない。

上述した原理が本実施形態の暗電流低減の原理であると考えており、所定の長さ冷却された光ファイバケーブルを用いることで背景光を取り除くフィルタとして作用させることができ、この光ファイバケーブルの先端に光電子増倍管を結合させることにより、背景光の影響を低減させて暗電流を著しく低減させることが可能な光検出装置を実現することができる。これにより、光検出装置１によれば、従来暗電流が高くＳＮ比の良い検出が不可能であった長波長領域の微弱光の検出が可能になる。例えば、従来に比べてＳＮ比で２０倍の改善が見られ、光を使った半導体デバイス評価の高性能化、材料分析の高精度化等に直結し産業に貢献するばかりでなく、単一光子検出が必要な量子通信分野の実用化へも繋がる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、光電子増倍管４の代わりに、光検出器としてフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等の受光素子やその他の電子管を用いてもよい。

また、筐体３として真空容器を用いて真空により断熱を行っているが、断熱の手段としては希ガスを用いて断熱を行ってもよいし、筐体内に断熱材を充填してもよい。また、筐体としては、光ファイバケーブルを冷却する部分と光検出器を収容する部分とは別体であってもよい。

また、図９に示す本発明の変形例である光検出装置１０１のように、筐体３の面板３ｃ上に２つの冷却素子１０５Ａ，１０５Ｂを固定し、この２つの冷却素子１０５Ａ，１０５Ｂの吸熱部上に、冷却ブロック６Ｂ，６Ａをそれぞれ固定して、光電子増倍管４及び光ファイバケーブル２を別々の冷却素子１０５Ａ，１０５Ｂによって冷却するように構成されていてもよい。

また、図１０に示す本発明の変形例である光検出装置２０１のように、光ファイバケーブル２を筐体３の内部において冷却ブロック６Ａの表面上に直線状又は曲線状に敷設した状態で、光ファイバケーブルの所定範囲を冷却するように構成されていてもよい。

１，１０１，２０１…光検出装置、２…光ファイバケーブル、３…筐体、４…光電子増倍管（光検出器）、４Ａ…受光面板、５，１０５Ａ，１０５Ｂ…冷却素子（冷却部）、６Ａ，６Ｂ…冷却ブロック（冷却部）。

Claims (7)

1. 筐体内に光検出器を内蔵する光検出装置であって、
   前記光検出器に対して、前記筐体の内部で接続される光ファイバと、
   前記筐体内の前記光ファイバの所定長さの範囲に対して接触する冷却部とを備え、
   前記冷却部は、前記光ファイバを背景光除去手段として機能させ、
   前記光ファイバの前記所定長さの冷却長（ｃｍ）は、前記光ファイバのコア径（μｍ）に対して下記式（１）；
   冷却長＝２４．３×｛１−ｅｘｐ（−０．００２８×コア径）｝…（１）
   に示す値に設定される、
   ことを特徴とする光検出装置。
2. 筐体内に光検出器を内蔵する光検出装置であって、
   前記光検出器に対して、前記筐体の内部で接続される光ファイバと、
   前記筐体内の前記光ファイバの所定長さの範囲に対して接触する冷却部とを備え、
   前記冷却部は、前記光ファイバを背景光除去手段として機能させ、
   前記光ファイバの前記所定長さの冷却長（ｃｍ）は、前記光ファイバのコア径（μｍ）に対して下記式（２）；
   冷却長＝０．０１４３×コア径…（２）
   に示す値に設定される、
   ことを特徴とする光検出装置。
3. 前記光ファイバは、前記所定長さの範囲において前記冷却部に巻回されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光検出装置。
4. 前記光検出器は、光電面が形成された面板を有し、
   前記光ファイバは、その端部が前記面板に対向して配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光検出装置。
5. 前記冷却部は、冷却素子と該冷却素子に直接接触する平板状の冷却ブロックとを含み、
   前記光ファイバは、前記所定長さの範囲において前記冷却ブロックに巻回されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光検出装置。
6. 前記冷却ブロックは、前記冷却素子に面接触している、
   ことを特徴とする請求項５記載の光検出装置。
7. 前記冷却部は、前記冷却ブロックに接触する第２の冷却ブロックをさらに含み、
   前記面板は、前記第２の冷却ブロックに面接触されている、
   ことを特徴とする請求項５又は６記載の光検出装置。

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