JP2005043638A - 双方向光モジュール及びこれにより一芯双方向光通信を行う装置並びに一芯双方向光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 自局の発光素子が出力する光信号の一部がクラッドモードとして伝播して自局の受光部に入射することによる受信特性の劣化を抑制することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】 通信先からの伝送路に結合される第１のフォトニック結晶光ファイバ、発光素子１４を含むキャン型パッケージ１２、受光素子９が実装されたフレキシブル基板１０、発光素子からの送信光信号は透過して第１のフォトニック結晶光ファイバのコア１に入射し、第１のフォトニック結晶光ファイバからの入力光信号は反射して受光素子に入射するように配置される波長分割多重素子８、波長分割多重素子と発光素子との間に導波路を与える第２のフォトニック結晶光ファイバを備えている。クラッド２、４は、使用する光信号の周波数帯を禁制帯とするようなフォトニック結晶から成る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一芯の光ファイバにより双方向の光通信を具現化する一芯双方向光通信システムにおいて入力される電気信号を光信号に変換して光ファイバに出力するとともに、光ファイバから入力される光信号を電気信号に変換して出力する双方向光モジュール及びこれにより一芯双方向光通信を行う装置並びに一芯双方向光伝送システムに関する。

ブロードバンドネットワーク社会の到来により、通信の高速化・大容量化が求められている。こうした要求にこたえることのできるシステムの１つに光通信システムがあげられるが、この光通信システムの構成要素の中でもキーデバイスとなるのは光モジュールであり、これまで様々なタイプのものが提案されてきた。
例えば、従来の一芯双方向光モジュールとしては、下記の非特許文献１に記載されたものが知られている。かかる従来の光モジュールの動作を概念的に図６に示す。図６において、光ファイバを斜めに切断して得た第１の光ファイバ６１＋６２（以下、コアｘとクラッドｙから成る光ファイバを「光ファイバｘ＋ｙ」のように表す）と第２の光ファイバ６３＋６４との間に、第２の光ファイバ６３＋６４からの光信号を透過させるとともに第１の光ファイバ６１＋６２からの光信号を反射させる波長選択フィルタ８が配置されている。光モジュールは、さらに発光素子１４、発光素子１４が出力する光信号を集光するためのレンズ１３、波長選択フィルタ８が反射した第１の光ファイバ６１＋６２からの光信号を受信する受光素子９から成る。以上の要素は、互いに光学的に効率よく結合されるように位置決めした状態でフェルール、割りスリーブなど種々の指示部材及び接着剤によって固定される。
信学技報TECHNICAL REPORT OF IEICE. OPE2002-52（図１６〜１８）

入力される電気信号に応じて発光素子１４は光信号を発する。この光信号は、レンズ１３により集光されて光ファイバ６３＋６４のコア６３に入力され、波長選択フィルタ８を透過し、第１の光ファイバ６１＋６２に出力される。一方、光ファイバ６１＋６２のコア６１から入力される光信号は、波長選択フィルタ８により反射され、受光素子９に入力され、電気信号に変換される。このように、上記従来の光モジュールでも、入力される光信号を電気信号に変換して出力するとともに、入力される電気信号を光信号に変換して出力することができ、一芯の伝送用光ファイバで送受信用の光信号をやり取りする一芯双方向の光通信を具現化することができる。

しかしながら、従来の光モジュールにおいては、発光素子１４が出力した光信号をレンズ１３により十分に集光することができず、クラッド６４にも入力されてしまい、クラッドモードとして伝播し、反射屈折により、迷光として受光素子９に入力され、受信光に対して妨害光となってしまうという問題があった。この点は、図７に示すように、レンズ１３を用いることなく、発光素子１４ａの出力光を直に光ファイバ６３＋６４に結合させるタイプの光モジュールも同様である。したがって、発光素子からの光信号の一部がクラッドモードとして伝播して自局の受光素子に入射するのを防ぐことができる光モジュールが望まれる。また、発光素子からの光信号の一部がクラッドモードとして伝播して自局の受光素子に入射するのを防ぐことができる光モジュールを用いて、妨害光が少なく、受信特性が優れた一芯双方向光通信が可能な装置が望まれる。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光通信のポートである第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバからの第１の光信号を電気信号に変換する受光素子と、所定の電気信号を第２の光信号に変換する発光素子と、前記第１の光ファイバの端面と平行に配置され、前記第１の光信号は反射して前記受光素子に入射し、前記第２の光信号は透過して前記第１の光ファイバに結合されるようにする光合波分波手段と、前記光合波分波手段と前記発光素子との間に光路を与える第２の光ファイバを備えた双方向光モジュールにおいて、少なくとも前記第２の光ファイバにフォトニック結晶光ファイバを用いた双方向光モジュールである。この構成により、発光素子からの光信号の一部がクラッドモードとして伝播して自局の受光素子に入射するのを防ぐことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の双方向光モジュールにおいて、前記フォトニック結晶光ファイバのクラッドの禁制帯が、前記第１の光信号と前記第２の光信号の周波数を含むものである。この構成により、発光素子からの光信号の一部がクラッドモードとして伝播して自局の受光素子に入射するのを防ぐことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の双方向光モジュールにおいて、前記第１及び第２の光ファイバを保持するため、前記第１及び第２の光ファイバにフェルールを備えたものである。この構成により、請求項１と同様の効果を有する。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の双方向光モジュールおいて、前記光合波分波手段として板状の波長分割多重素子を用い、前記第１及び第２の光ファイバが、前記フォトニック結晶光ファイバをフェルールにはめ込んで斜めに切断して得たものであり、かつ、前記波長分割多重素子を前記第１及び第２の光ファイバの切断面で挟んだものである。この構成により、請求項１と同様の効果を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１つに記載の双方向光モジュールと、伝送すべき電気信号を前記双方向光モジュールに含まれる前記発光素子を駆動できる信号に変換する駆動回路と、前記双方向光モジュールに含まれる前記受光素子の出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号からデータ信号とクロック信号を再生する電気回路を備えることにより、一芯双方向光通信が可能な装置である。この構成により、発光素子からの光信号の一部がクラッドモードとして伝播して自局の受光素子に入射するのを防ぐことができる光モジュールを用いて、妨害光が少なく、受信特性が優れた一芯双方向光通信が可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の装置において、前記双方向光通信を行う装置を光送受信機としたものである。この構成により、請求項５と同様の効果を有する。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光送受信装置を２つ備え、前記２つの光送受信装置を伝送用光ファイバにより相互に接続し、前記第１及び第２の光信号に異なる波長を用いた一芯双方向光伝送システムである。この構成により、妨害光が少なく、受信特性が優れた一芯双方向光通信が可能になる。

光ファイバとして、送受信に用いる周波数に対応する禁制帯を有するフォトニック結晶光ファイバを用いることにより、フォトニック結晶光ファイバのクラッドにはその周波数の伝播光が存在できないため、クラッドモードが受光素子まで伝播することなく、妨害光が少なく、受信特性が改善できるという効果を有する一芯双方向光モジュールを得ることができる。
また、本発明の実施の形態１によれば、クロストークの影響を低減させた光モジュールを用いることにより、優れた受信特性で一芯双方向光通信が可能な装置を得ることができる。これには、光送受信装置や光送受信モジュールも含まれる。
本発明の他の実施の形態によれば、送信側及び受信側の双方に本発明の光送受信装置を備え、光ファイバで接続することにより、妨害光が少なく、受信特性の優れた光送受信システムを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面により詳細に説明する。なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
図１は、本発明の光モジュールを概念的に表した図である。図１の本発明による光モジュールは、次の点を除いて図６の光モジュールと同じである。すなわち、図１の本発明の光モジュールは、通常の光ファイバ６１＋６２の代わりにフォトニック結晶光ファイバ１＋２を用い、通常の光ファイバ６３＋６４の代わりにフォトニック結晶光ファイバ３＋４を用いる。

具体的には、フォトニック結晶光ファイバのクラッド（以下単にクラッドと言う）２、４の部分に光波長サイズの屈折率の異なる物質を周期的に配列した周期構造を持たせることにより、フォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢＧ）を形成することができる。このフォトニック・バンド・ギャップＥｇにＥｇ＝ｈｃ／λ（ｈはプランク定数、ｃは光速）で対応する波長λの光はフォトニック結晶中に進入できないので、フォトニック結晶は波長λに対しては光絶縁体となる。したがって、光信号として使用する波長に応じたＰＢＧを持つような周期的構造をクラッド４の部分に形成すればよい。これにより、発光素子１４からの光信号がクラッド４を通って受光素子９に入射するのを防ぐことができる。
この発明の原理は、図７に示したタイプの光ファイバにも適用できることは言うまでもない。

＜実施の形態１＞
図２は、本発明の実施の形態１による双方向光モジュールを示す斜視図である。図３は、図２の双方向光モジュール３０の断面図である。図２及び図３において、本発明の実施の形態１の光モジュール３０は、発光素子１４を含むキャン型パッケージ１２と、光ファイバ・アセンブリを収容した切り欠き入りの割スリーブ７とをＳＵＳ（ステンレス）スリーブ１１で結合固定した構造を有する。

キャン型パッケージ１２は、キャン型パッケージ１２の底面に固定されたステム１６と、ステム１６上に実装されたチップキャリア１５と、チップキャリア１５上にボンディングされた発光素子１４と、チップキャリア１５に電気的に接続された電気信号入力用端子１７、１８と、キャン型パッケージ１２の光学系側の底面に埋め込まれて発光素子１４が出力する光信号を集光するボールレンズ１３から成る。

切り欠き入りの割スリーブ７には、フォトニック結晶光ファイバを切り欠き入りのフェルール５、６にはめ込んで切り欠き部分で斜めにカットして得た切り欠き入りフェルール５、６と切り欠き入りフェルール５の切断面に接着された波長分割多重素子（ＷＤＭ素子）８とがはめ込んである。切り欠き入りフェルール５には、フォトニック結晶光ファイバのコア（以下単にコアと言う）１とクラッド２から成るフォトニック結晶光ファイバ１＋２がはめ込まれ、切り欠き入りフェルール６には、コア３とクラッド４から成るフォトニック結晶光ファイバ３＋４がはめ込まれている。これらのフォトニック結晶光ファイバ１＋２及び３＋４のクラッド２、４のフォトニック・バンドギャップＥｇは、送信に使用する波長λ１と受信に使用する波長λ２の例えば平均に応じて決定する。換言すれば、クラッド２、４のフォトニック結晶の禁制帯が送受信用の波長λ１、λ２を含むように設計する。

割りスリーブ７の切り欠き部と切り欠き入りフェルール５、６の切り欠き部は、ほぼ対応する位置に設けるものとする。さらに、受光素子９が実装された受信用電気回路基板１０が、切り欠き入りフェルール５、６の切り欠き部と割スリーブ７の切り欠き部に、波長分割多重素子８により反射されたフォトニック結晶光ファイバ１＋２のコア１からの光信号が最大に結合する位置に接着される。このときに用いる接着剤（図示せず）は、屈折率が光ファイバの屈折率とほぼ等しいものとする。波長分割多重素子８は、フォトニック結晶光ファイバ３＋４からの光信号は透過し、フォトニック結晶光ファイバ１＋２からの光信号を反射する構造のものである。

まず、電気信号入力端子１７、１８を介して入力された電気信号は、発光素子１４に与えられ光信号に変換される。発光素子１４が出力した光信号は、ボールレンズ１３により集光されるが、ボールレンズ１３での集光が不十分であるためコア３とクラッド４に入射する。ここで、光信号はフォトニック結晶光ファイバの禁制帯となるように設定されているため、クラッド４に入射した光信号は、クラッド４の周期構造により減衰され、フォトニック結晶光ファイバ３＋４のコア３に入力された光信号のみが伝播される。コア３に入力され、伝播された光信号は、波長分割多重素子８を通過し出力される。一方、フォトニック結晶光ファイバ１＋２から入力される光信号は、波長分割多重素子８により反射され、受光素子９に入射し、電気信号に変換される。受光素子９が出力する電気信号は、受信側フレキシブル基板１０を通して出力される。

このように本発明の実施の形態１の光モジュールによれば、フォトニック結晶光ファイバを備えることにより、光ファイバのクラッド中を伝播するクラッドモードを抑制することができ、自局の光信号が受信光信号を妨害することがなくなるため、良好な受信特性を得ることができる。

＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２による双方向光モジュール３０を用いて一芯双方向光通信を行う装置の光送受信回路又は光送受信機を示す略ブロック図である。図４において、光送受信機３８は、上述の光モジュール３０と、光モジュール３０の受光素子９からの受信信号の増幅を行う増幅回路３５と、受信信号からクロック成分を抽出するクロック再生回路３６と、受信信号とクロック信号からデータ信号を再生するデータ再生回路３７と、光モジュール３０に含まれる発光素子１４を駆動するための駆動回路３４を含む。また、光送受信機３８は、伝送用光ファイバ３２と光学的に結合されている。

以上のように構成された光送受信機３８の動作を説明する。
伝送用光ファイバ３２により伝送されてきた光信号は、光送受信機３８の光モジュール３０に入力される。光モジュール３０に入力された光信号は、波長分割多重素子８で反射され、受光素子９に入射して電気信号に変換され、増幅回路３５に出力される。増幅回路３５により増幅された電気信号は二分岐され、一方はクロック再生回路３６へ、他方はデータ再生回路３７へ入力される。クロック再生回路３６は、入力された電気信号からクロック信号を生成してデータ再生回路３７及びその他の回路部分（不図示）に供給する。また、データ再生回路３７は、入力される電気信号をクロック再生回路３６から入力されるクロック信号を用いて波形整形を行うことによりデータ信号を再生する。また、光送受信機３８において送信すべき信号は、駆動回路３４を通して光モジュール３０の発光素子１４に入力されて光信号に変換され、波長分割多重素子８を透過して伝送用光ファイバ３２に結合される。

このように本発明の実施の形態２の装置によれば、自局の光信号が受信光信号を妨害することなく、良好なデータ信号とクロック信号を得ることができる。本発明の実施の形態２は、一芯双方向光通信を行うものであれば、独立した装置に対しても、システムの一部を構成する光送受信モジュールに対しても応用することができる。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施の形態３による光伝送システムの略ブロック図を示す。図５の光伝送システムは、２つの光送受信を行う装置３９、４０を伝送用光ファイバ３２で接続したものである。２つの光送受信を行う装置３９、４０は、それぞれ一芯双方向光通信を行うために図４の光送受信機（又はモジュール）３８を備えている。２つの光送受信を行う装置３９、４０の各光送受信機３８は、互いに通信が成立するように、一方が出力する光信号の波長を他方が受信できるように、受光素子９及び波長分割多重素子８が選定されている。また、各光送受信機３８は、送受信に異なる周波数を用いることが好ましい。

例えば、光送受信を行う装置３９の光送受信機３８が、１．３μｍ帯の光を送信し、１．５μｍ帯の光を受信するなら、光送受信を行う装置４０の光送受信機３８は、１．５μｍ帯の光を送信し、１．３μｍ帯の光を受信するという具合に、送受信に逆の周波数帯を用いる。このように、送信する光信号と受信する光信号の波長が異なる２つの光送受信を行う装置３９、４０を光ファイバ３２で接続して対向させることにより、自局の光信号が受信信号を妨害することなく、良好な一芯双方向の光通信を行うことが可能となる。

本発明によれば、光ファイバとして、送受信に用いる周波数に対応する禁制帯を有するフォトニック結晶光ファイバを用いることにより、フォトニック結晶光ファイバのクラッドにはその周波数の伝播光が存在できないため、クラッドモードが受光素子まで伝播することなく、妨害光が少なく、受信特性が改善できるという効果を有する一芯双方向光モジュールを得ることができるので、本発明は一芯双方向の光通信などに利用可能である。

本発明の光モジュールを概念的に表した図 本発明の実施の形態１による双方向光モジュールの斜視図 図２の双方向光モジュールの断面図 本発明の実施の形態２により光送受信を行う回路又は装置を示す略ブロック図 本発明の実施の形態３による光伝送システムを示す略ブロック図 従来の光モジュールの概念図 従来の別の光モジュールの概念図

符号の説明

１ フォトニック結晶光ファイバのコア
２ フォトニック結晶光ファイバのクラッド
３ フォトニック結晶光ファイバのコア
４ フォトニック結晶光ファイバのクラッド
５、６ 切り欠き入りフェルール
７ 割スリーブ
８ 波長分割多重素子（ＷＤＭ素子）
９ 受光素子
１０ 受信側フレキシブル基板（受信用電気回路基板）
１１ ＳＵＳ（ステンレス）スリーブ
１２ キャン型パッケージ
１３ ボールレンズ
１４ 発光素子
１５ チップキャリア
１６ ステム
１７、１８ 電気信号入力用端子
３０ 光モジュール（双方向光モジュール）
３２ 伝送用光ファイバ
３４ 駆動回路
３５ 増幅回路
３６ クロック再生回路
３７ データ再生回路
３８ 光送受信機（モジュール）
３９、４０ 光送受信を行う装置
６１ 光ファイバのコア
６２ 光ファイバのクラッド
６３ 光ファイバのコア
６４ 光ファイバのクラッド

Claims (7)

1. 光通信のポートである第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバからの第１の光信号を電気信号に変換する受光素子と、所定の電気信号を第２の光信号に変換する発光素子と、前記第１の光ファイバの端面と平行に配置され、前記第１の光信号は反射して前記受光素子に入射し、前記第２の光信号は透過して前記第１の光ファイバに結合されるようにする光合波分波手段と、前記光合波分波手段と前記発光素子との間に光路を与える第２の光ファイバを備えた双方向光モジュールにおいて、少なくとも前記第２の光ファイバにフォトニック結晶光ファイバを用いた双方向光モジュール。
2. 前記フォトニック結晶光ファイバのクラッドの禁制帯が、前記第１の光信号と前記第２の光信号の周波数を含む請求項１に記載の双方向光モジュール。
3. 前記第１及び第２の光ファイバを保持するため、前記第１及び第２の光ファイバにフェルールを備えた請求項１又は２に記載の双方向光モジュール。
4. 前記光合波分波手段として板状の波長分割多重素子を用い、
   前記第１及び第２の光ファイバが、前記フォトニック結晶光ファイバをフェルールにはめ込んで斜めに切断して得たものであり、かつ、
   前記波長分割多重素子を前記第１及び第２の光ファイバの切断面で挟んだ請求項１又は２に記載の双方向光モジュール。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の双方向光モジュールと、伝送すべき電気信号を前記双方向光モジュールに含まれる前記発光素子を駆動できる信号に変換する駆動回路と、前記双方向光モジュールに含まれる前記受光素子の出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号からデータ信号とクロック信号を再生する電気回路を備えることにより、一芯双方向光通信を行う装置。
6. 前記双方向光通信を行う装置が光送受信機である請求項５に記載の装置。
7. 請求項６に記載の光送受信装置を２つ備え、前記２つの光送受信装置を伝送用光ファイバにより相互に接続し、前記第１及び第２の光信号に異なる波長を用いた一芯双方向光伝送システム。
   

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