JPWO2004013590A1

JPWO2004013590A1 - 光検出装置

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Publication number: JPWO2004013590A1
Application number: JP2004525823A
Authority: JP
Inventors: 義浩瀧口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: WO2004013590A1; AU2003252339A1; JP4408261B2; EP1541979A4; US20060153488A1; EP1541979A1

Abstract

光検出装置１は、真空容器１０内に配置された光電面３０及び電子増倍部５０を含む。これらにより光電子増倍管が構成される。光検出装置１は、光信号Ｌが流れる光ファイバ２０を備え、光電面３０が光ファイバ２０の端面２７上に形成されている。

Description

本発明は、例えば、光電子増倍管のような光学部品を含む光検出装置に関する。

図３は、従来の光検出装置の模式図である。従来の光検出装置は、光電子増倍管８０及び結像系９０を含む。光電子増倍管８０は、管状をした真空容器８１内に、真空容器８１の一方の端面から他方の端面に向かって順に、電極８３ａ、光電面８５、アパーチャ電極８３ｂ、収束電極８３ｃ、電子増倍部８７、読み出し電極８３ｄが配置された構造をしている。結像系９０は、互いに対向して配置されたレンズ系９１、９３と、レンズ系９１とレンズ系９３との間に配置された波長選択フィルタ９５と、レンズ系９３の位置を微調整する調整部９７と、を含む。波長選択フィルタ９５により光信号Ｌのうち必要となる波長成分が選択される。

光源Ｓからの光信号Ｌは、結像系９０により光電面８５に結像される。調整部９７を用いてレンズ系９３の位置を微調整することにより、結像の調整がなされる。この結像により光電面８５内の電子が励起され真空中に光電子が放出される（外部光電効果）。放出された光電子のうちアパーチャ電極８３ｂの開口部８２を通過した光電子が収束電極８３ｃによって電子増倍部８７に収束される。電子増倍部８７において二次電子放出が繰り返えされることにより電流増幅される。これが出力信号として読み出し電極８３ｄを介して読み出される。

さて、上記光検出装置において、光電面８５に入射する光信号Ｌの強度が極度に小さい場合、計測における信号／雑音の比は熱雑音の影響を強く受ける。つまり、熱雑音が大きくなると計測における信号／雑音の比が悪くなるのである。従って、熱雑音を低減することが重要である。熱雑音は、光電面８５の温度を低下させたりすることや、光電面８５の面積を小さくすることにより、低減することができる。従来は、ペルチェ冷却器８９を光電面８５の近傍に配置することにより光電面８５の温度を低下させたり、アパーチャ電極８３ｂにより光電面８５の有効面積を低減させたりしている。アパーチャ電極８３ｂの開口部８２の開口面積に相当する面積が光電面８５の有効面積となる。

従来の光検出装置は、アパーチャ電極８３ｂの開口部８２を通過した光電子が電子増倍部８７に収束される。光電面８５から放出された光電子を効率的に利用するためには、開口部８２を通過する光電子を多くしなければならず、そのために、結像系９０及び調整部９７が必要となる。また、アパーチャ電極８３ｂを設けることにより、光電面８５とアパーチャ電極８３ｂにより形成される電場が原因でレンズ効果が発生する。この補正のため収束電極８３ｃが必要となる。このように、従来の光検出装置は結像系９０、調整部９７、収束電極８３ｃ等を備えなければならず、これらが装置の小型化の妨げとなっていた。

本発明の目的は、熱雑音を低下させつつ、小型化が可能な光検出装置を提供することである。

本発明に係る光検出装置は、光の出射面となる端面を有する光ファイバと、端面上に形成され端面から出射される光を基にして光電子を放出する光電子放出部と、を含む。

本発明によれば、光ファイバの端面上に光電子放出部（例えば光電面）が形成されているので、光電子放出部に光を結像させるための結像系や結像系のレンズを微調整する調整部が不要となる。また、同じ理由によりアパーチャ電極が不要となるので、光電子放出部とアパーチャ電極により形成される電場が原因となるレンズ効果が発生することはない。よって、本発明によればレンズ効果を補正するための収束電極を配置しなくてもよい。また、光ファイバの端面上に光電子放出部が形成されているので光電子放出部の小型化が可能となる。以上の理由により本発明によれば、光検出装置の小型化が可能となる。

また、上記の通り光電子放出部の小型化が可能となるので、熱雑音を低減することができる。よって、本発明によれば、計測における信号／雑音の比を良好にすることが可能となる。

本発明において、光ファイバはコア部を含み、端面の少なくとも一部はコア部を含み、光電子放出部は端面のコア部上にのみ形成されている構造にすることが好適である。これによれば、光電子放出部をさらに小型化することができるので、熱雑音を低減することができ、計測における信号／雑音の比を良好にすることが可能となる。

本発明において、コア部に波長選択用の回折格子が形成されている構造にすることが好適である。本発明において、光ファイバからの光漏れを防ぐために、光ファイバの表面に配置された遮光性皮膜を含む構造にすることが好適である。本発明において、光ファイバは光の入射面となる他の端面を含み、光検出装置は他の端面に取付けられた光ファイバコネクタを含む構造にすることが好適である。本発明において、光電子放出部の温度を低下させるための冷却部を含む構造にすることが好適である。

図１は、本実施形態に係る光検出装置の一例の断面模式図である。

図２は、本実施形態に係る光検出装置の他の例の断面模式図である。

図３は、従来の光検出装置の模式図である。

本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る光検出装置の一例の断面模式図である。光検出装置１は、内部が真空にされたガラス管からなる真空容器１０と、コア部２１及びコア部２１の周囲に形成されたクラッド層２３を含む光ファイバ２０と、を備える。

真空容器１０は一方の端面１１と他方の端面１３を有する。光ファイバ２０の端部２５は、端面１１から真空容器１０内に挿入され、固定されている。端部２５には光ファイバ２０の端面２７がある。コア部２１を伝播した光源からの光信号Ｌは、端面２７から出射される。端面２７上のうちコア部２１の部分上には、金属が吸着しやすいように表面をナノメートル程度で荒らして蒸着した下地金属層３２と、光電子放出部の一例である光電面３０とが積層されている。光電面３０により外部光電効果が生じる。つまり、端面２７から出射された光信号Ｌが光電面３０に入射することにより、光電面３０から真空容器１０中に光電子が放出される。光電面３０を端面２７上に形成する方法として、例えば、以下の方法がある。まず、端面２７上に金属層を蒸着する。この金属層をフォトリソグラフィとエッチングを用いてパターニングすることにより、端面２７上のうちコア部２１の部分上にのみこの金属層を残す。これが下地金属層３２となる。そして、下地金属層３２上に光電面の材料を選択的に蒸着することにより、端面２７上に光電面３０が形成される。

真空容器１０内には、光電面３０に下地金属層３２を介して電気的に接続されている電極４０が配置され、また光電面３０と所定距離を設けて向かい合うように電子増倍部５０が配置されている。電子増倍部５０としては公知の電子増倍部が用いることができる。電子増倍部５０の構造や材料は様々であり、これらにより光検出装置１の電流増倍率、時間応答特性等が異なるので、光検出装置１の使用目的に応じて、電子増倍部５０の構造や材料を選択する。真空容器１０内であって、端面１３と電子増倍部５０との間には読み出し電極６０が配置されており、読み出し電極６０の一部は端面１３を介して外部に引出されている。真空容器１０、光電面３０及び電子増倍部５０により光電子増倍管が構成されている。

ここで、光検出装置１の動作を説明する。光ファイバ２０のコア部２１を伝播してきた光信号Ｌは光ファイバ２０の端面２７を介して光電面３０に入射する。これにより光電面３０内の電子を励起し真空中に光電子を放出する（外部光電効果）。光電子は電子増倍部５０に入射する。電子増倍部５０において二次電子放出が繰り返えされることにより電流増倍された光電子は、読み出し電極６０に送られる。

光検出装置１によれば、光信号Ｌが流れる光ファイバ２０を備え、かつ光電面３０が光ファイバ２０の端面２７上に形成されている。このため、結像系、収束電極等が不要となり、装置の小型化が可能となる。また、光伝播と光電子変換を高効率にすることが可能となる。

また、光検出装置１によれば、光電面３０が端面２７のコア部２１上にのみ形成されているので、光電面の小型化を図ることができる。よって、熱雑音を極限まで低減することが可能となるので、計測における信号／雑音の比を良好にすることできる。なお、光電面３０は端面２７のコア部２１上及びクラッド層２３上に形成されていてもよい。

上記の効果について数値を用いて具体的に説明する。光検出装置１によれば、例えば、コア部２１の径が１２５μｍのマルチモードファイバを用いた場合、直径５ｍｍの光電面（通常の大きさの光電面）と比較して、光電面３０は面積比で１６００分の１になる。また、例えば、光電面がＧａＡｓであり光電面の冷却部を備えた従来のタイプにおいて、光電面の雑音レベルが１００ｃｐｓ程度となる。光検出装置１によれば、熱雑音が０．０６３ｃｐｓとなる。

次に、本実施形態に係る光検出装置の他の例を説明する。図２は、この光検出装置３の断面模式図である。光検出装置３については、図１に示す光検出装置１との相違点を説明する。光検出装置３を構成する要素のうち光検出装置１の構成要素と同一のものについては同一符号を付すことにより説明を省略する。

光ファイバ２０のコア部２１の一部に回折格子２９が形成されている。これにより、光信号のうち測定したい波長成分のみを選択することが可能となる。また、光ファイバ２０の周囲には遮光用皮膜２２が形成されている。これにより光ファイバ２０内の光信号が外部に漏れるのを防ぐことが可能となる。光ファイバ２０の端部２５と反対側の端部２４には、ＦＣ型の光ファイバコネクタ７０が取付けられている。なお、光電面３０は端面２７のコア部２１上にのみ形成されているが、端面２７のコア部２１上及びクラッド層２３上に形成されていてもよい。

真空容器１０内であって端面１１及び光電面３０の近傍には、ペルチェ冷却器１３が配置されている。ペルチェ冷却器１３には貫通孔があり、そこに光ファイバ２０の端部２５が通されている。ペルチェ冷却器１３により光電面３０が冷却される。これにより、熱雑音を低減することができる。なお、光検出装置３の動作及び効果は光検出装置１と同様である。

Claims

光の出射面となる端面を有する光ファイバと、
前記端面上に形成され、前記端面から出射される光を基にして光電子を放出する光電子放出部と、
を含む光検出装置。
前記光ファイバはコア部を含み、
前記端面の少なくとも一部は前記コア部を含み、
前記光電子放出部は前記端面の前記コア部上にのみ形成されている、請求項１記載の光検出装置。
前記コア部に波長選択用の回折格子が形成されている、請求項１又は２記載の光検出装置。
前記光ファイバからの光漏れを防ぐために、前記光ファイバの表面に配置された遮光性皮膜を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の光検出装置。
前記光ファイバは光の入射面となる他の端面を含み、
前記光検出装置は前記他の端面に取付けられた光ファイバコネクタを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の光検出装置。
前記光電子放出部の温度を低下させるための冷却部を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の光検出装置。
前記端面と前記光電子放出部との間に金属層が位置する、請求項１〜６のいずれかに記載の光検出装置。