JP2008090000A - 光送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザダイオードの実装位置の変更やレーザダイオード自体の変更を行わずに、光出力レベルを自由に調整することができる小型の光送受信モジュールを提供する。
【解決手段】 平面光波回路を形成する導波路基板２１と、平面光波回路を介して外部伝送路へ出力するためのレーザ光を発振するレーザ発振素子の半導体レーザ素子２２と、外部伝送路からのレーザ光を平面光波回路を介して受光する受光素子のフォトダイオード素子２３とをシリコン基板２４上に集積し、平面光波回路の光導波路に、光導波路を伝搬するレーザ光を対象にした可変光減衰器２５を配設する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ通信に使用される光送受信モジュールに関し、特に、一心双方向のＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重方式）用光送受信モジュールに関する。

近年、インターネットを通した動画等の情報へのアクセスが増大しており、情報伝送容量の拡大の要求は一般ユーザにまで広がっている。これに伴い、光通信の適用範囲は基幹系だけでなく加入者系にまで急速に拡大しつつある。

上りと下りとにおいて異なる波長の光信号を伝送する双方向通信システムでは、双方向の通信を同時に送受信する必要がある。このことと小型化及び経済化を図ることとを理由に、光加入者システムに使用される光モジュールは、光導波路を使用し送信機能と受信機能とを一体化した光送受信モジュールが主流となりつつある。そこで、このような光送受信モジュールが特許文献１に開示されている。

特許文献１の光送受信モジュールは、平面光波回路上にレーザダイオードやフォトダイオードをハイブリッド集積して構成されており、クロストーク光を抑制するように配置されている。

一方では、加入者系システムの光化によって光伝送距離の多様化が進んでおり、光送受信モジュールにおいて伝送距離を制御するために、出力光レベルの調整が必要となっている。例えば、加入者系システムにおいて、ある光送受信モジュール内のレーザ発振素子が必要以上に高いレベルの信号光を送出すると、この光送受信モジュール内のデバイスに影響を及ぼしたり、その受信側の機器を損傷させたりする可能性があるだけでなく、この信号光が関係の無い加入者装置にまで達してその加入者装置が誤動作を起してしまう恐れがある。このような重大な事故を防ぐために、光送受信モジュールの出力光レベル調整が必要となる。

しかし、特許文献1に開示されているような光送受信モジュールでは、光出力を調整するために、レーザダイオードの実装位置の変更やレーザダイオード自体の変更を行わなければならず、これでは、品種の煩雑化や部品点数の増加につながり、光送受信モジュールの生産効率の低下，コストアップを招くことになる不都合があった。

このような不都合を解決するために、光送受信器の次段にパワー調整器を設けた光伝送システムが特許文献２に開示されている。

特開平１１‐６８７０５号公報 特開２００６‐６７０１３号公報

しかしながら、特許文献２に開示されているように、パワー調整器あるいは可変光減衰器を光送受信器の次段に設けると、機器２つ分の設置空間を占有し、光送受信器の小型化が意味の無いものになってしまう。また、光送受信器の次段で信号光のレベル調整を行っても、この光送受信器自身内のデバイスへの影響は無くならないという不都合があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の不都合を改善し、レーザダイオードの実装位置の変更やレーザダイオード自体の変更を行わずに、光出力レベルを自由に調整することができる小型の光送受信モジュールを提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の光送受信モジュールは、光導波路からなる平面光波回路と、この平面光波回路を介して外部伝送路へ出力するためのレーザ光を発振するレーザ発振素子と、外部伝送路からのレーザ光を平面光波回路を介して受光する受光素子とを基板上に集積して成る光送受信モジュールであり、平面光波回路に、光導波路を伝搬するレーザ光の光強度を調整する光強度調整手段を配設したことを特徴とする（請求項１乃至６）。

このような光送受信モジュールによれば、平面光波回路内に光強度調整手段を形成するので、従来の光出力レベルの調整方法である発光素子実装位置の変更や発光素子自体の変更を行なわずに、光出力レベルを自由に変化させ、光伝送距離を変えることができる。また、光送受信モジュールの大きさが変わらないので、小型化を図ることができる。

また、上記の光送受信モジュールにおいて、上述した平面光波回路を、レーザ発振素子に結合した第１光導波路と、この第１光導波路に、予め装備され入射光をその波長に応じて反射又は透過方向に分岐させる機能を有するフィルタ部分で合流結合した外部入出力側の第２光導波路とにより構成し、第１光導波路に、光強度調整手段を配設して構成してもよい（請求項２）。

このようにすると、レーザ発振素子から出力される光の強度のばらつきを光強度調整手段で吸収できるので、発光素子の品質に関わらず安定したレベルの光を送信することができ、製造の歩留まりが向上する。

また、上記の光送受信モジュールにおいて、上述した平面光波回路を、上述した平面光波回路を、レーザ発振素子に結合した第１光導波路と、この第１光導波路に、予め装備され入射光をその波長に応じて反射又は透過方向に分岐させる機能を有するフィルタ部分で合流結合した外部入出力側の第２光導波路とにより構成し、第２光導波路に、光強度調整手段を配設して構成してもよい（請求項３）。

このようにすると、外部伝送路から受信した信号光のレベルを受光素子に対応したレベルに調整することができる。

さらに、上記の光送受信モジュールにおいて、上述した光強度調整手段が、外部からの動作制御を可能とした可変光減衰器であってもよい（請求項４）。このようにすると、光導波路内を伝搬する光の強度レベルを一定範囲内で調整することが可能となる。

また更に、上記の光送受信モジュールにおいて、上述した可変光減衰器が、マッハツェンダ干渉計であってもよい（請求項５）。このようにすると、物理的に動く部分が無いため、信頼性の高い光強度調整が可能となる。

また更に、上記の光送受信モジュールにおいて、上述した可変光減衰器が、微小電気機械（ＭＥＭＳ）型可変光減衰器であってもよい（請求項６）。このようにすると、簡単な構造で光強度調整を行うことができる。

さらに、上記の光送受信モジュールにおいて、微小電気機械（ＭＥＭＳ）型可変光減衰器を、光導波路内の伝搬光を減衰又は遮断する光シャッタと、この光シャッタを開閉駆動するシャッタ駆動手段とにより構成してもよい（請求項７）。このように、光導波路を通過する光量を変えることで、光導波路内を伝搬する光の強度レベルを自由に調整することが可能となる。

また、本発明の光送受信器は、上記の光送受信モジュールをパッケージ内に実装すると共に、パッケージが、光送受信モジュールの光強度調整手段とパッケージ外部側の制御回路とを電気的に接続するためのリード端子を備えたことを特徴とする（請求項８）。

このような光送受信器によれば、外部操作に従って、光送受信モジュールの光導波路内を伝搬する光の強度レベルを自由に調整することが可能となり、信号光の送受信を良好に行うことができる。

本発明は以上のように構成されるため、これにより、一心双方向のＷＤＭ用光送受信モジュール内部の平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に光強度調整手段（可変光減衰器）を形成することで、従来の光出力レベルの調整方法であるレーザ発振素子の実装位置の変更やレーザ発振素子自体の変更を行なわずに、光出力レベルを自由に変化させ、光伝送距離を変えることができる。また、ＰＬＣ内に光強度調整手段（可変光減衰器）を形成するので、光送受信モジュールの大きさが変わらず小型化を図ることができる。

以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本第１実施形態の光送信器の構成を示す図である。

図１に示すように、本第１実施形態の光送受信器は、セラミックパッケージ１の内部に、平面光波回路を形成する導波路基板２１が積層されたシリコン基板２４上に半導体レーザ素子２２とフォトダイオード素子２３とを集積したハイブリッド集積モジュールである光送受信モジュール２と、光送受信モジュール２のフォトダイオード素子２３から出力される電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプＩＣ３とを実装して構成されており、光送受信モジュール２には光ファイバ５が搭載されている。

セラミックパッケージ１は入出力側に分けられた複数のリード端子４Ａ，４Ｂを備えており、このリード端子４Ａ，４Ｂは、セラミックパッケージ１内部の光送受信モジュール２又はトランスインピーダンスアンプＩＣ３とパッケージ１外部側の制御回路とを電気的に接続するためのものである。

光送受信モジュール２は、平面光波回路を形成する導波路基板２１と、平面光波回路を介して外部伝送路へ出力するためのレーザ光を発振するレーザ発振素子の半導体レーザ素子２２と、外部伝送路からのレーザ光を平面光波回路を介して受光する受光素子のフォトダイオード素子２３とをシリコン基板２４上に集積した一心双方向のＷＤＭ用光送受信モジュールであり、平面光波回路に、光導波路を伝搬するレーザ光の光強度を調整する光強度調整手段としての可変光減衰器２５を配設している。

セラミックパッケージ１のリード端子４Ａ，４Ｂのいずれかが、光送受信モジュール２における半導体レーザ素子２２とフォトダイオード素子２３と可変光減衰器２５との各電極と接続し、パッケージ１外部側から半導体レーザ素子２２とフォトダイオード素子２３と可変光減衰器２５とへの電力供給を可能としている。

次に、本第１実施形態の光送受信器に内蔵された光送受信モジュール２について説明する。

図２は、本第１実施形態における光送受信モジュール２の構成を示す斜視図であり、図３は、本第１実施形態における光送受信モジュール２の構成を示す平面図である。

本第１実施形態の光送受信モジュール２は、平面光波回路を形成する導波路基板２１と、半導体レーザ素子２２と、フォトダイオード素子２３と、入射光を波長に応じて透過又は反射方向に分岐させる誘電体多層膜フィルタであるフィルタ２６とをシリコン基板２４上に集積し、外部伝送路に通じる光ファイバ５を実装するための光ファイバ実装固定用Ｖ溝２７がシリコン基板２４に形成されている。

導波路基板２１に形成された平面光波回路は、一端を半導体レーザ素子２２の発光面に結合し他端がフィルタ２６に結合した第１光導波路２８と、一端を光ファイバ実装固定用Ｖ溝２７に固定される光ファイバ５に結合するようにし他端が第１光導波路２８の他端と合流しフィルタ２６に結合した第２光導波路２９とにより構成されており、第１光導波路２８及び第２光導波路２９は、第１光導波路２８を伝搬しフィルタ２６で反射したレーザ光が第２光導波路２９に結合するような形状である。そしてさらに、第１光導波路２８上に可変光減衰器２５が配設されており、本第１実施形態では、この可変光減衰器２５としてマッハツェンダ干渉計が設けられている（以下、マッハツェンダ干渉計２５とする）。

フィルタ２６は、半導体レーザ素子２２からのレーザ光を反射しこのレーザ光と異なる波長のレーザ光を透過するように設計されており、第１光導波路２８と第２光導波路２９との合流箇所に配置されている。フォトダイオード素子２３は、フィルタ２６に対して半導体レーザ素子２２の反対側の位置に配置され、第２光導波路２９を伝搬しフィルタ２６を透過した外部伝送路からの光信号を受光する機能を有している。

第１光導波路２８上のマッハツェンダ干渉計２５は、アーム導波路として光導波路３１と光導波路３２とを有しており、光導波路３２にはヒータ３３が取り付けられている。このヒータ３５は、導波路３２に対して熱を供給する機能を有している。ヒータ３３に電極を設置し、その電極から図１のセラミックパッケージ１に搭載されているリード端子４Ａ，４Ｂのいずれかへ配線することで、ヒータ３３への電力供給が可能となり、ヒータ３３に電力を供給することで熱が発生する。

マッハツェンダ干渉計２５においては、ヒータ３３の熱により導波路３２の屈折率が変化し、導波路３２の伝搬光に位相シフトが生じ、導波路３１と導波路３２との伝搬光が合流し重なりあって干渉する。この信号光の干渉による信号光強度の減衰により光出力が変化する。よって、ヒータ３３への電力供給を操作することで光送受信器の光出力レベルを自由に調整することが可能となる。

本第１実施形態の動作について説明する。

まず、半導体レーザ素子２２からの信号光は第１光導波路２８に結合して第１光導波路２８内を伝搬する。第１光導波路２８内を伝搬する信号光は、マッハツェンダ干渉計２５の入射側で導波路３１と導波路３２との２方向に分岐されて伝搬した後、その出射側で合流し出力される。このとき、ヒータ３３に電力を供給すると熱が発生し、その熱により導波路３２の屈折率が変化し、信号光の位相シフトが生じ干渉する。この信号光の干渉による信号光強度の減衰により光出力レベルが変化する。

マッハツェンダ干渉計２５で合流した信号光は、フィルタ２６で全反射され第２光導波路２９を伝搬し図２の光ファイバ５を通過して外部伝送路へ伝送される。

一方、外部伝送路からの信号光は、図１の光ファイバ５を通過した後に第２光導波路２９内を伝搬し、フィルタ２６を透過してフォトダイオード素子２３で受光される。

このように本第１実施形態の光送受信器では、図１に示すリード端子４Ａ，４Ｂから電力を外部供給することにより、光送受信モジュール２内のマッハツェンダ干渉計２５において導波路３２の屈折率を変化させ、光出力レベルを変化させることが可能である。これにより、半導体レーザ素子２２を動かすことなく光出力レベル調整ができ、半導体レーザ素子２２を損傷させる心配が無いので、出力光レベル調整を利用者側の操作箇所とすることが可能である。

以上のような本第１実施形態の光送受信器によれば、半導体レーザ素子２２が必要以上に高いレベルの信号光を発振しても、導波路２８に設けた可変光減衰器２５によって伝搬光レベルが調整されるので、半導体レーザ素子２２の発振光がフォトダイオード素子２３に漏れることが軽減される。

更には、従来の光出力レベルの調整方法である半導体レーザ素子２２実装位置の変更や半導体レーザ素子２２自体の変更を行なわずに、光出力レベルを自由に変化させ、光伝送距離を変えることができる。またさらに、光送受信器内部で出力光レベル調整を行うので、光送受信器の大きさが変わらず小型化を図ることができる。

また、更に、半導体レーザ素子２２から出力される光の強度のばらつきを可変光減衰器で吸収できるので、半導体レーザ素子２２の品質に関わらず安定したレベルの光を送信することができ、製造の歩留まりが向上する。

ここで、本第１実施形態では、導波路２８に可変光減衰器２５を設けて出力光レベルを調整しているが、これに限らず、導波路２９に可変光減衰器を設けてもよい。導波路２９に可変光減衰器を設けることで、外部伝送路から受信した信号光のレベルをフォトダイオード素子２３に対応したレベルに調整して伝搬することができる。

次に、本発明にかかる第２実施形態について説明する。

図４は、本第２実施形態の光送受信器の構成を示す図である。ここで、図１に示す本第１実施形態と同様の構成要素ついては、同じ符号を付して示している。

図４に示すように、本第２実施形態の光送受信器は、セラミックパッケージ１の内部に、シリコン基板６４上に平面光波回路を形成する導波路基板６１と半導体レーザ素子６２とフォトダイオード素子６３とを集積して成る光送受信モジュール６と、光送受信モジュール６のフォトダイオード素子６３から出力される電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプＩＣ３を実装して構成されており、光送受信モジュール６には光ファイバ５が搭載されている。

セラミックパッケージ１は入出力側に分けられた複数のリード端子４Ａ，４Ｂを備えており、このリード端子４Ａ，４Ｂは、セラミックパッケージ１内部の光送受信モジュール６及びトランスインピーダンスアンプＩＣ３をパッケージ１外部側の制御回路と電気的に接続するためのものである。

本第２実施形態における光送受信モジュール６は、平面光波回路を形成する導波路基板６１と、平面光波回路を介して外部伝送路へ出力するためのレーザ光を発振するレーザ発振素子の半導体レーザ素子６２と、外部伝送路からのレーザ光を平面光波回路を介して受光する受光素子のフォトダイオード素子６３とをシリコン基板６４上に集積しており、平面光波回路に、光導波路を伝搬するレーザ光の光強度を調整する光強度調整手段として可変光減衰器６５を配設している。

図５は、本第２実施形態の光送受信モジュール６の構成を示す図である。

本第２実施形態の光送受信モジュール６は、図５に示すとおり、図２及び図３に示す第１実施形態の光送受信モジュール２と同様の構成として、平面光波回路を形成する導波路基板６１と、半導体レーザ素子６２と、フィルタ６６と、フォトダイオード素子６３とをシリコン基板６４上に集積し、光ファイバ実装固定用Ｖ溝２７がシリコン基板２４に形成されている。

また、導波路基板６１に形成された平面光波回路も第１実施形態と同様に、第１光導波路６８と、第２光導波路６９とにより構成されている。そして、図２及び図３に示す光送受信モジュール２と異なる構成として、第１光導波路６８上にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）型可変光減衰器６５が配設されている。

ＭＥＭＳ型可変光減衰器６５は、第１光導波路６８内を伝搬するレーザ光を減衰又は遮断する光シャッタ７０と、この光シャッタ７０を開閉制御させるシャッタ駆動手段として片持ち梁７１及び固定部材７２とで構成されている。

光シャッタ７０は、片持ち梁７１の可動端に取り付けられている。片持ち梁７１には被駆動電極として櫛歯電極７３が設けられており、固定部材７２にも、固定電極として櫛歯電極７４が片持ち梁７１の櫛歯電極７３間に挿入されるように設けられている。

片持ち梁７１及び固定部材７２を、図１のセラミックパッケージ１に搭載されているリード端子４Ａ，４Ｂのいずれかへ配線することで、片持ち梁７１と固定部材７２との間に電圧を印加することができる。片持ち梁７１と固定部材７２との間に電圧を印加することで、両者間に静電気力を発生させる。

ここで、片持ち梁７１と固定部材７２とには、それぞれ櫛歯電極７３と櫛歯電極７４とが設けられているので、片持ち梁７１及び固定部材７２の表面積が全体的に大きくなる。従って、その分だけ片持ち梁７１と固定部材７２との間に発生する静電気力が増大するため、片持ち梁７１と固定部材７２との間に印加する電圧を大きくする必要がない。

そして、この静電気力による引力によって片持ち梁７１の可動端側部分が固定部材７２に引き寄せられてたわみ、それに伴って光シャッタ７０が導波路６８を開閉するように移動する。このように片持ち梁７１と固定部材７２との間に静電気力を発生させて光シャッタ７０を開閉駆動させることで、光出力レベルが変化する。

このような光送受信モジュール２においては、片持ち梁７１と固定部材７２との間に印加する電圧を変えることで、導波路６８を伝搬する光量を調節することができる。これにより、本第２実施形態の光送受信器は、光出力レベルを自由に調整することが可能である。

以上のような本第２実施形態の光送受信器おいても、上述した第１実施形態と同様に、従来の光出力レベルの調整方法である半導体レーザ素子６２実装位置の変更や半導体レーザ素子６２自体の変更を行なわずに、光出力レベルを自由に変化させ、光伝送距離を変えることができる。またさらに、光送受信器内部で出力光レベル調整を行うので、光送受信器の大きさが変わらず小型化を図ることができる。

本発明にかかる第１実施形態の光送受信器の構成を示す斜視図である。 図１に開示した実施形態における光送受信モジュールの構成を示す斜視図である。 図２に開示した光送受信モジュールの構成を示す平面図である。 本発明にかかる第２実施形態の光送受信器の構成を示す斜視図である。 図４に開示した実施形態における光送受信モジュールの構成を示す平面図である。

符号の説明

１ セラミックパッケージ
２，６ 光送受信モジュール
３ トランスインピーダンスアンプＩＣ
４Ａ，４Ｂ リード端子
５ 光ファイバ
２１，６１ 導波路基板
２２，６２ 半導体レーザ素子（レーザ発振素子）
２３，６３ フォトダイオード素子（受光素子）
２４，６４ シリコン基板
２５ マッハツェンダ干渉計（可変光減衰器）
２６，６６ フィルタ
２７，６７ 光ファイバ実装固定用Ｖ溝
２８，６８ 第１光導波路
２９，６９ 第２光導波路
３１，３２ 導波路
３３ ヒータ
６５ ＭＥＭＳ型可変光減衰器
７０ 光シャッタ
７１ 片持ち梁
７２ 固定部材
７３ 櫛歯電極
７４ 櫛歯電極

Claims (8)

1. 光導波路からなる平面光波回路と、前記平面光波回路を介して外部伝送路へ出力するためのレーザ光を発振するレーザ発振素子と、前記外部伝送路からのレーザ光を前記平面光波回路を介して受光する受光素子とを基板上に集積して成る光送受信モジュールにおいて、
   前記平面光波回路に、前記光導波路を伝搬するレーザ光の強度を可変調整する光強度調整手段を配設したことを特徴とする光送受信モジュール。
2. 前記請求項１に記載の光送受信モジュールにおいて、
   前記平面光波回路を、前記レーザ発振素子に結合した第１光導波路と、この第１光導波路に、予め装備され入射光をその波長に応じて反射又は透過方向に分岐させる機能を有するフィルタ部分で合流結合した外部入出力側の第２光導波路とにより構成し、
   前記第１光導波路に、前記光強度調整手段を配設して構成したことを特徴とする光送受信モジュール。
3. 前記請求項１に記載の光送受信モジュールにおいて、
   前記平面光波回路を、前記レーザ発振素子に結合した第１光導波路と、この第１光導波路に、予め装備され入射光をその波長に応じて反射又は透過方向に分岐させる機能を有するフィルタ部分で合流結合した外部入出力側の第２光導波路とにより構成し、
   前記第２光導波路に、前記光強度調整手段を配設して構成したことを特徴とする光送受信モジュール。
4. 前記請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光送受信モジュールにおいて、
   前記光強度調整手段が、外部からの動作制御を可能とした可変光減衰器であることを特徴とする光送受信モジュール。
5. 前記請求項４に記載の光送受信モジュールにおいて、
   前記可変光減衰器が、マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする光送受信モジュール。
6. 前記請求項４に記載の光送受信モジュールにおいて、
   前記可変光減衰器が、微小電気機械（ＭＥＭＳ）型可変光減衰器であることを特徴とする光送受信モジュール。
7. 前記請求項６に記載の光送受信モジュールにおいて、
   前記微小電気機械（ＭＥＭＳ）型可変光減衰器を、前記光導波路内の伝搬光を減衰又は遮断する光シャッタと、この光シャッタを開閉駆動するシャッタ駆動手段とにより構成したことを特徴とする光送受信モジュール。
8. 前記請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光送受信モジュールをパッケージ内に実装すると共に、前記パッケージが、前記光強度調整手段とパッケージ外部側の制御回路とを電気的に接続するためのリード端子を備えたことを特徴とする光送受信器。

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