JP2007165491A - 光前置増幅器付き光受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体の光結合損が小さく、且つ、低コスト化が可能な光前置増幅器付き光受信装置を提供する。
【解決手段】パッケージ筐体２０７に、半導体光増幅器２０１と、この半導体光増幅器２０１を入力光ファイバ１０２に光学的に結合する第１の光学系２０２と、第２の光学系２０４とを設けてなる半導体光増幅器モジュール１０１と、パッケージ筐体２０６内に、ＰＩＮ−ＰＤ２０５を設けてなるＰＩＮ−ＴＩＡモジュール１０３とを有し、パッケージ筐体２０７の光出力側の面２０７ｂとパッケージ筐体２０６の光入力側の面２０６ａとを接続して、半導体光増幅器２０１とＰＩＮ−ＰＤ２０５とを第２の光学系２０４によって光学的に結合した構成とする。第２の光学系２０４はパッケージ筐体２０６内に設けてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は高速光アクセス・メトロシステムなどへの適用が可能な高感度の光前置増幅器付き光受信装置に関するものである。

（１）背景
図５に光アクセスシステム（ＴＤＭ−ＰＯＮ：time division multiplexing passive optical network）の一例を示す。同図に示すように、局側のＯＬＴ（optical line terminal)５０１から送信された下り信号光は、光スプリッタ５０２で分岐されて、各加入者端末装置ＯＮＵ（optical network unit）５０３，５０４で受信される。上り信号光は各ＯＮＵ５０３，５０４からバースト信号として送信され、ＯＬＴ５０１で受信される。

現在、上り下り双方向とも１Gb/sの光アクセスシステムも商用化され、今後は１０Gb/sクラスのＴＤＭ−ＰＯＮに向けた研究開発が進んでいく。しかし、ビットレートの高速化に伴い光受信器の受信感度が劣化するため、ＯＬＴとＯＮＵ間の送受信レベル差（ダイナミックレンジ）を確保するのが難しくなる。全体のシステムコスト抑制のため、ＯＮＵ送信出力パワーを上げずにダイナミックレンジを確保するためにはＯＬＴ側に高感度の光受信器が必要となる。

入力信号光の受信感度を上げる方法としては、（ａ）ＡＰＤレシーバを使用する方法、（ｂ）ＰＩＮ−ＰＤの前に光増幅器を挿入する方法、などが挙げられる。（ａ）の方法では増倍率を上げるために高電圧印加（〜−５０Ｖ）が必要であり、更に入力光強度に応じて増倍率の動的制御が必要となる。（ｂ）の方法で用いる光増幅器としてはファイバアンプ（ＥＤＦＡ、ＰＤＦＡ）と半導体光増幅器が挙げられる。この場合の具体的な構成を図６に示す。同図に示すように、光増幅器６０１で増幅された入力信号光はＰＩＮ−ＴＩＡ（ＰＩＮ photodiode-Trans-Impedance Amplifier)６０２のＰＩＮ−ＰＤ（ＰＩＮ photodiode）６０３で電気信号に変換され、この電気信号がＰＩＮ−ＴＩＡ６０２のＴＩＡ６０４で増幅されて出力される。現状、高感度という点からはファイバアンプが有望である（１０Gb/s、−３５dBm)が、半導体光増幅器＋ＰＩＮ−ＴＩＡ構成は小型化が可能であり、更に簡易実装で実現できれば低コストな光前置増幅器付き光受信装置として将来有望である。

（２）従来例
図７に従来の光前置増幅器付き光受信装置（半導体光増幅器＋ＰＩＮ−ＴＩＡモジュール構成）の外観を示す。同図において、７０１は半導体光増幅器モジュール、７０２はＰＩＮ−ＴＩＡピグテイルモジュール、７０３は半導体光増幅器モジュール７０１の入力側に接続された入力光ファイバである。そして、半導体光増幅器モジュール７０１とＰＩＮ−ＴＩＡモジュール７０２は、光ファイバ７０４を介して接続されている。

その具体的な構成は図８のようになっている。同図に示すように、半導体光増幅器モジュール７０１は、パッケージ筐体８０６内に、半導体光増幅器８０１と、第１の光学系８０２と、第２の光学系８０４とを設けてなるものである。第１の光学系８０２は半導体光増幅器８０１と、パッケージ筐体８０６の光入力側の面に接続された入力光ファイバ７０３とを光結合し、第２の光学系８０４は半導体光増幅器８０１と、パッケージ筐体８０６の光出力側の面に接続された光ファイバ７０４ａとを光結合する。一方、ＰＩＮ−ＴＩＡモジュール７０２は、パッケージ筐体８０９内にＰＩＮ−ＰＤ８１０を設けてなるものである。なお、図示は省略しているが、パッケージ筐体８０９内にはＴＩＡなども設けられている。パッケージ筐体８０９の光入力側の面には光ファイバ７０４ｂが接続されている。そして、半導体光増幅器モジュール７０１のパッケージ筐体８０６とＰＩＮ−ＴＩＡモジュール７０２のパッケージ筐体８０９は、これらの光ファイバ７０４ａ，７０４ｂを介して接続されている。

光ファイバ７０４ａと光ファイバ７０４ｂは光コネクタ８１２によって接続されている。パッケージ筐体８０６とパッケージ筐体８０９は、ガラスやサファイアの窓８０７，８０８，８１３で各々個別に気密封止されている。なお、半導体光増幅器８０１から出射する自然放出光（ＡＳＥ光）をカットするためパッケージ筐体８０６とパッケージ筐体８０９の間に光フィルタがあってもよい。

なお、関連する先行技術文献としては下記のものがある。
T. Kimura et al. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.17, No.2, pp.456, 2005年

図８のような構成の光前置増幅器付き光受信装置の問題は、光受信装置全体の光結合損である。図８で光受信装置全体の光結合損を考えると、（１）入力光ファイバ７０３と半導体光増幅器８０１との入力側光結合損、（２）半導体光増幅器８０１と出力光ファイバ７０４ａとの光結合損、（３）光ファイバ７０４ｂとＰＩＮ−ＰＤ８１０との光結合損がある。（１）（２）の光結合損は第１及び第２の光学系８０２，８０４が１枚レンズ系の場合〜−４dB、（３）の光結合損は〜−１dBとすると、光受信装置全体では計〜９dBもの損失となる。半導体光増幅器８０１の信号利得が２０dBあっても光受信装置全体の光結合損が９dBあれば受信感度は１１dBしか向上しない。このため、光受信装置全体の光結合損をできるだけ小さくする必要がある。

また、図８ではシングルモードファイバとの結合箇所が多く、光ファイバ７０３，７０４ａ，７０４ｂの接続部８１４，８１５，８１６をＹＡＧレーザによってパッケージ筐体８０６，８０９に溶接固定する場合、レーザ溶接の工程数の増加とそれによる歩留まりの低下を招く。

このような点を解決するために、より高級な部材や専用部材を開発することは、低コスト化の観点から得策ではない。パッケージ筐体や内部の部材にはなるべく市販品を使用することが望ましい。例えば、（２）（３）の出力側光結合損を低減する１つの方法として、半導体光増幅器の直近にＰＩＮ−ＴＩＡを配置してワンパッケージ化する方法も考えられるが、導波路型の半導体光増幅器と面型ＰＩＮ−ＰＤを直近に配置するためには新しい専用の部材が必要となり、低コスト化は難しい。

従って、本発明は上記の事情に鑑み、装置全体の光結合損が小さく、且つ、低コスト化が可能な光前置増幅器付き光受信装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する第１発明の光前置増幅器付き光受信装置は、第１の筐体内に、半導体光増幅器と、この半導体光増幅器を入力光ファイバに光学的に結合する第１の光結合部と、第２の光結合部とを設けてなる第１のモジュールと、
第２の筐体内に、光受信器を設けてなる第２のモジュールとを有し、
前記第１の筐体の光出力側の面と前記第２の筐体の光入力側の面とを接続して、前記半導体光増幅器と前記光受信器とを前記第２の光結合部によって光学的に結合した構成であることを特徴とする。

また、第２発明の光前置増幅器付き光受信装置は、第１の筐体内に、半導体光増幅器と、この半導体光増幅器を入力光ファイバに光学的に結合する第１の光結合部とを設けてなる第１のモジュールと、
第２の筐体内に、第２の光結合部と、光受信器とを設けてなる第２のモジュールとを有し、
前記第１の筐体の光出力側の面と前記第２の筐体の光入力側の面とを接続して、前記半導体光増幅器と前記光受信器とを前記第２の光結合部によって光学的に結合した構成であることを特徴とする。

また、第３発明の光前置増幅器付き光受信装置は、第１又は第２発明の光受信装置において、
前記第１の筐体と前記第２の筐体とを、各々個別に光の透過窓によって気密に封止したことを特徴とする。

また、第４発明の光前置増幅器付き光受信装置は、第１，第２又は第３発明の光受信装置において、
前記第２の光結合部は、前記半導体光増幅器から出射された光をコリメートして平行光とする少なくとも１枚のコリメート用レンズと、前記平行光を集光する少なくとも１枚の集光用レンズとを有してなるものであることを特徴とする。

このように、本発明においては、第１のモジュールの第１の筐体の光出力側の面と、第２のモジュールの第２の筐体の光入力側の面とを接続すること、即ち、第１の筐体と第１の筐体とを光ファイバを介さずに接続して一体化することにより、半導体光増幅器と光受信器とを第２の光結合部によって光学的に結合したため、高効率な光結合を歩留まりよく実現できる。また、使用する部品も市販のＴＯ−ＣＡＮ型のものを用いることができ、特に新規の部材を作成する必要もないため、低コスト化が期待できる。光ファイバとの結合も第１の筐体の光入力側１箇所で済み、第１の筐体の光出力側には光ファイバは不要となるため部品点数の削減にもなる。また、コリメート用レンズと集光用レンズの間の部分では光が平行光となっているため、この部分にアイソレータや光フィルタ等の光部品を挿入することもできる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づき、詳細に説明する。

＜実施の形態例１＞
図１に本発明の実施の形態例１に係る光前置増幅器付き光受信装置の外観を示し、図２に前記光前置増幅器付き光受信装置の具体的な内部構成を示す。

図１に示すように、本実施の形態例１の光前置増幅器付き光受信装置は、第１のモジュールとしての半導体光増幅器モジュール１０１と、第２のモジュールとしてのＰＩＮ−ＴＩＡモジュール１０３とを有しており、半導体光増幅器モジュール１０１の光入力側に入力光ファイバ１０２が接続されている。そして、半導体光増幅器モジュール１０１の光出力側は光ファイバを介さずにＰＩＮ−ＴＩＡモジュール１０３の光入力側に接続されており、半導体光増幅器モジュール１０１とＰＩＮ−ＴＩＡモジュール１０３とが一体化されている。

図２に基づいて詳述すると、半導体光増幅器モジュール１０１はバタフライ型のものであり、第１の筐体としての金属製で直方体状のパッケージ筐体２０７内に、光前置増幅器としての半導体光増幅器２０１と、第１の光結合部としての第１の光学系２０２と、第２の光結合部としての第２の光学系２０４とを設けてなるものである。なお、図示例ではパッケージ筐体２０７内に、ヒートシンク２１１と、ペルチェ素子を用いた温調用ＴＥＣ２１２も設けられている。半導体光増幅器２０１はヒートシンク２１１上に設置され、ヒートシンク２１１は温調用ＴＥＣ２１２上に設置されている。

パッケージ筐体２０７は左右両側の面２０７ａ，２０７ｂに信号光３０１を入出力するための開口部２０７ｃ，２０７ｄがそれぞれ形成されているが、これらの開口部２０７ｃ，２０７ｄを、信号光３０１が透過するガラスやサファイヤなどの窓２０８，２０９でパッケージ筐体２０７の内側から塞ぐことにより、内部が気密に封止されている。入力光ファイバ１０２は、この入力光ファイバ１０２の端部に設けられた接続部２１３をＹＡＧレーザ等によるレーザ溶接などの接続手段によってパッケージ筐体２０７の光入力側の面２０７ａに接続することにより、同面２０７ａに接続されている。

第１の光学系２０２は１枚の集光用レンズ２０２ａからなるものであり、半導体光増幅器２０１と入力光ファイバ１０２とを光学的に結合（光結合）している。即ち、第１の光学系２０２では、入力光ファイバ３０１から出射された信号光３０１を、レンズ２０２ａで集光して半導体光増幅器２０１に入射させる。第２の光学系２０４は１枚の集光用レンズ２０４ａからなるものであり、半導体光増幅器２０１と光受信器としてのＰＩＮ−ＰＤ２０５とを光学的に結合（光結合）している。即ち、第２の光学系２０４では、半導体光増幅器２０１から出射された信号光３０１を、レンズ２０４ａで集光してＰＩＮ−ＰＤ２０５に入射させる。なお、第１及び第２の光学系２０２，２０４は、図示例のような１枚レンズ系のものに限らず、複数枚の集光用レンズを用いたものでもよい。

一方、ＰＩＮ−ＴＩＡモジュール１０３はＴＯ−ＣＡＮ型のものであり、第２の筐体としての金属製で円筒状のパッケージ筐体２０６内に、ＰＩＮ−ＰＤ２０５を設けてなるものである。ＰＩＮ−ＰＤ２０５はステム２１４上に設置されている。なお、図示は省略しているが、ステム２１４上にはＴＩＡなども設けられている。パッケージ筐体２０６は光入力側の面２０６ａに信号光３０１を入力するための開口部２０６ｂが形成されているが、この開口部２０６ｂを、信号光３０１が透過するガラスやサファイヤなどの窓２１０でパッケージ筐体２０６の内側から塞ぐことにより、内部が気密に封止されている。即ち、パッケージ筐体２０６とパッケージ筐体２０７は各々個別に最適に製作され、各々個別に気密封止されている。

そして、パッケージ筐体２０７の光出力側の面２０７ｂと、パッケージ筐体２０６の光入力側の面２０６ａとを、従来（図８）のように光ファイバを間に介在させることなく、ＹＡＧレーザ等によるレーザ溶接などの接続手段で接続して、パッケージ筐体２０７とパッケージ筐体２０６とを一体化することにより、半導体光増幅器２０１とＰＩＮ−ＰＤ２０５とを、光ファイバを介さずに第２の光学系２０４のみによって光結合した構成となっている。ここでＰＩＮ−ＴＩＡモジュール２０６は市販の気密封止されたＴＯ−ＣＡＮ型のものを用いる。

本実施の形態例１の光前置増幅器付き光受信装置によれば、半導体光増幅器２０１からの出射光（信号光３０１）は第２の光学系２０４を介して受光径数１０ミクロンのＰＩＮ−ＰＤ２０５と結合するため、図８のようなシングルモード光ファイバ（コア径１０ミクロン以下）との結合に比べ、容易かつ高効率な光結合が可能となり、作製歩留まりも向上する。本光受信装置全体の光結合損は、入力側の光結合損−４dB、出力側の光結合損−１dBとなり、計−５dBとなる。

＜実施の形態例２＞
図３に本発明の実施の形態例２に係る光前置増幅器付き光受信装置の具体的な内部構成を示す。本光受信装置の外観は図１と同様である。なお、図３において図２と同様の部分には同一の符号を付し、重複する詳細な説明は省略する。

図３と図２の違いは、半導体光増幅器２０１とＰＩＮ−ＰＤ２０５とを光結合するための第２の光学系２０４が、図２では１枚の集光用レンズ２０４ａで構成されているのに対し、図３では複数枚のレンズ、即ち１枚のコリメート用レンズ２０４ｂと１枚の集光用レンズ２０４ｄとで構成されていることである。

コリメート用レンズ２０４ｂと集光用レンズ２０４ｄは離間しており、コリメート用レンズ２０４ｂでは半導体光増幅器２０１から出射された信号光３０１をコリメートして平行光とし、集光用レンズ２０４ｄではコリメート用レンズ２０４ｂで平行光となった信号光３０１を集光してＰＩＮ−ＰＤ２０５に入射させる。なお、図示例では１枚のコリメート用レンズを用いているが、複数枚のコリメート用レンズを用いてもよく、また、図示例では１枚の集光用レンズを用いているが、複数枚の集光用レンズを用いてもよい。図３のその他の構成は図２の構成と同様である。

本実施の形態例２の光前置増幅器付き光受信装置によれば、上記実施の形態例１の光受信装置と同様の効果が得られ、更には第２の光学系２０４のコリメート用レンズ２０４ｂと集光用レンズ２０４ｄとの間で信号光３０１がコリメートされて平行光をなっているため、これらのレンズ２０４ｂ，２０４ｄ間（図３中の点線部３０２）にアイソレータや、半導体光増幅器２０１から出射する自然放出光（ＡＳＥ光）のカットなどを行う光フィルタ等の光部品を挿入することができる。

＜実施の形態例３＞
図４に本発明の実施の形態例３に係る光前置増幅器付き光受信装置の具体的な内部構成を示す。本光受信装置の外観は図１と同様である。なお、図４において図２と同様の部分には同一の符号を付し、重複する詳細な説明は省略する。

図４と図２の違いは、半導体光増幅器２０１とＰＩＮ−ＰＤ２０５とを光結合するための第２の光学系２０４が、図２では半導体光増幅器モジュール１０１のパッケージ筐体２０７内に設けられているのに対し、図４ではＰＩＮ−ＴＩＡモジュール１０３のパッケージ筐体２０６内に設けられていることである。図４のその他の構成は図２の構成と同様である。

本実施の形態例３の光前置増幅器付き光受信装置でも、上記実施の形態例１の光前置増幅器付き光受信装置と同様の効果を得ることができる。なお、図４のようにパッケージ筐体２０６内に第２の光学系２０４を設ける場合にも、当該第２の光学系２０４を、図３の第２の光学系２０４と同様にコリメート用レンズと集光用レンズからなる構成にしてもよい。

本発明の実施の形態例１に係る光前置増幅器付き光受信装置の外観を示す図である。 前記光前置増幅器付き光受信装置の具体的な内部構成を示す図である。 本発明の実施の形態例２に係る光前置増幅器付き光受信装置の具体的な内部構成を示す図である。 本発明の実施の形態例３に係る光前置増幅器付き光受信装置の具体的な内部構成を示す図である。 光アクセスシステムの例を示す図である。 光前置増幅器とＰＩＮ−ＴＩＡの構成を示す図である。 従来の光前置増幅器付き光受信装置の外観を示すである。 前記光前置増幅器付き光受信装置の具体的な内部構成を示す図である。

符号の説明

１０１ 半導体光増幅器モジュール
１０２ 入力光ファイバ
１０３ ＰＩＮ−ＴＩＡモジュール
２０１ 半導体光増幅器
２０２ 第１の光学系
２０２ａ 集光用レンズ
２０４ 第２の光学系
２０４ａ 集光用レンズ
２０４ｂ コリメート用レンズ
２０４ｃ 集光用レンズ
２０５ ＰＩＮ−ＰＤ
２０６ パッケージ筐体
２０６ａ 光入力側の面
２０６ｂ 開口部
２０７ パッケージ筐体
２０７ａ 光入力側の面
２０７ｂ 光出力側の面
２０７ｃ，２０７ｄ 開口部
２０８，２０９，２１０ 窓
２１１ ヒートシンク
２１２ 温調用ＴＥＣ
２１３ 接続部
２１４ ステム
３０１ 信号光
３０２ コリメート用レンズと集光用レンズの間の部分

Claims (4)

1. 第１の筐体内に、半導体光増幅器と、この半導体光増幅器を入力光ファイバに光学的に結合する第１の光結合部と、第２の光結合部とを設けてなる第１のモジュールと、
   第２の筐体内に、光受信器を設けてなる第２のモジュールとを有し、
   前記第１の筐体の光出力側の面と前記第２の筐体の光入力側の面とを接続して、前記半導体光増幅器と前記光受信器とを前記第２の光結合部によって光学的に結合した構成であることを特徴とする光前置増幅器付き光受信装置。
2. 第１の筐体内に、半導体光増幅器と、この半導体光増幅器を入力光ファイバに光学的に結合する第１の光結合部とを設けてなる第１のモジュールと、
   第２の筐体内に、第２の光結合部と、光受信器とを設けてなる第２のモジュールとを有し、
   前記第１の筐体の光出力側の面と前記第２の筐体の光入力側の面とを接続して、前記半導体光増幅器と前記光受信器とを前記第２の光結合部によって光学的に結合した構成であることを特徴とする光前置増幅器付き光受信装置。
3. 請求項１又は２に記載の光受信装置において、
   前記第１の筐体と前記第２の筐体とを、各々個別に光の透過窓によって気密に封止したことを特徴とする光前置増幅器付き光受信装置。
4. 請求項１，２又は３に記載の光受信装置において、
   前記第２の光結合部は、前記半導体光増幅器から出射された光をコリメートして平行光とする少なくとも１枚のコリメート用レンズと、前記平行光を集光する少なくとも１枚の集光用レンズとを有してなるものであることを特徴とする光前置増幅器付き光受信装置。

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