JP2009151058A - 光レベル調整装置と光レベル調整素子、及び光コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】光レベル調整素子を小型化する。
【解決手段】この発明による光レベル調整素子は、同一の光半導体基板上に、信号光が入力される入力ポートと、入力ポートに入力された信号光を第１の分岐導波路と第２の分岐導波路に所定の分岐比で分岐する光分岐導波路と、第２の分岐導波路の信号光の強度に応じた電圧を生成する光−電圧変換型受光素子と、その光−電圧変換型受光素子から出力される電圧によって第１の分岐導波路の信号光の振幅を抑圧する電界吸収型光変調素子と、電界吸収型光変調素子で抑圧した信号光を出力する出力ポートと、が形成される。光−電圧変換型受光素子が発生する電圧で電界吸収型光変調素子を透過する信号光を抑圧する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光−電圧変換型受光素子と電界吸収型光変調素子とを備えた光レベル調整装置と、その光レベル調整装置を構成する光学系の部品を集積化した光レベル調整素子と、その光レベル調整素子を搭載した光コネクタに関する。

一般に光通信に用いられる光受信機は、その受信可能な光量の範囲が大きいことが望まれる。しかし、最小の受光レベルと最大の受光レベルとを同時に改善することは困難とされている。インターネットの普及により、一般家庭内にも光ファイバが引き込まれる最近の状況では、不慮の事態により大光量が光ファイバに入射し、光受信機が破壊されてしまう事態が起こりかねない。このような状況から、光受信機に入射する光量を一定に保ちたいとする要求がある。

光受信機の入力端に設けられる従来の光レベル調整装置の機能構成を図９（特許文献１）に示し、その動作を簡単に説明する。光レベル調整装置３１は、光信号受信装置２４の入力側に設けられ、光分岐器２５と、モニタ用ＰＩＮ−ＰＤ（ピン・フォトダイオード）２６と、制御器２７と、可変光減衰器２８とで構成される。光ファイバ２１を伝播して来た光信号は、光ファイバコネクタ２２を介して光分岐器２５に入力される。光分岐器２５は、入力光を２方向に分岐する。光分岐器２５で分岐された一方の光信号ｂは、モニタ用受光器としてのモニタ用ＰＩＮ−ＰＤ２６で光強度信号ｄに変換される。光強度信号ｄは、制御器２７に入力される。光分岐器２５で分岐された他方の光信号ｃは、可変光減衰器２８に入力される。可変光減衰器２８は、入力した光信号ｃの光強度を、制御器２７からの制御信号ｇで設定される減衰量だけ減衰した光信号ｅに制御する。
特開平８−３７４９９号公報（図１）

従来の光レベル調整装置３１の構成では、可変光減衰器２８を駆動制御するための制御器２７が必要であった。制御器２７は電子回路で構成され、その実装のために装置の小型化に限界があった。また、光レベル調整装置全体の集積化は困難であった。
この発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、電子回路で構成される制御器２７を廃して小型化を可能にした光レベル調整装置と、光レベル調整装置の各光学系の部品を、光半導体基板上に集積可能な光素子で構成し、集積化（モノリシック化ともいう。）した光レベル調整素子を提供する。また、その光レベル調整素子を搭載した光コネクタを提供することを目的とする。

この発明による光レベル調整装置は、信号光が入力される入力ポートと、入力ポートに入力された信号光を第１の分岐導波路と第２の分岐導波路に所定の分岐比で分岐する光分岐導波路と、第２の分岐導波路の信号光の強度に応じた電圧を生成する光−電圧変換型受光素子と、その光−電圧変換型受光素子から出力される電圧によって第１の分岐導波路の信号光の振幅を抑圧する電界吸収型光変調素子と、電界吸収型光変調素子で抑圧した信号光を出力する出力ポートと、を具備する。また、光レベル調整素子は、上記の各構成部を同一の光半導体基板上に形成したものである。さらに、この発明の光コネクタは、上記した光レベル調整素子を搭載した光コネクタである。

この発明の光レベル調整装置と光レベル調整素子は、入力光量が増大して光−電圧変換型受光素子で発生する電圧が増加するに従い、電界吸収型光変調素子の光吸収量も増加する構成である。したがって、入力光量が増えれば、電界吸収型光変調素子で抑圧される信号光も増えて出力光量が減少する。光レベル調整素子は、１個の光半導体基板上に集積可能な光素子で構成されるので、従来、集積化が困難であった光レベル調整素子をモノリシック化でき、小型化することが出来る。また、この発明の光コネクタは、モノリシック化された光レベル調整素子を搭載するので、従来の光コネクタと大差ない大きさで、光受信機に過大な信号光が入力されることを防止することが出来る。さらに、この発明の光レベル調整装置は、制御器を不用としているので、従来の光レベル調整装置よりも小型化することが可能である。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。この発明の光レベル調整装置は、この発明の光レベル調整素子を構成する各光素子部品を、個別に組み合わせて構成されるものである。よって、先に光レベル調整素子の実施の形態を説明する。

図１にこの発明の光レベル調整素子の実施例１の機能構成例を示す。光レベル調整素子１００は、例えばｎ型ＩｎＰの光半導体基板１０上に形成されたモノリシック型素子である。光レベル調整素子１００は、同一の光半導体基板１０上に信号光が入力される入力ポート１２と、入力ポート１２に入力された信号光を第１の分岐導波路１４ａと第２の分岐導波路１４ｂに所定の分岐比で分岐する光分岐導波路１４と、第２の分岐導波路１４ｂの信号光の強度に応じた電圧を生成する光−電圧変換型受光素子１８と、その光−電圧変換型受光素子１８から出力される電圧によって第１の分岐導波路１４ａの信号光の振幅を抑圧する電界吸収型光変調素子１６と、電界吸収型光変調素子１６で抑圧した信号光を出力する出力ポート１９と、で形成される。

入力ポート１２に入力された信号光Ｉ_ｉｎは、光分岐導波路１４で第１の分岐導波路１４ａと第２の分岐導波路１４ｂとに所定の分岐比ｘで分岐される。第２の分岐導波路１４ｂに分岐した信号光Ｉ_ｉｎ・ｘは、第２の分岐導波路１４ｂを終端する光−電圧変換型受光素子１８に入力される。光−電圧変換型受光素子１８は、光起電力効果を持った素子であり、例えば参考文献特許３３６５３２９号公報に開示されたような、その出力電圧レベルを光吸収層内の積層数を増減することで変えられる半導体受光素子である。光−電圧変換型受光素子１８の入力信号パワーに対する出力信号電圧の特性の一例を図２に示す。図２の横軸は、入力信号パワーを対数軸、単位ｍＷで表わす。縦軸は出力信号電圧を対数軸、単位ｍＶで表わす。その出力信号電圧は、入力信号パワーの低下と共に低下する特性を示す。１ｍＷの入力信号パワーで約３Ｖの出力信号電圧が得られている。この光−電圧変換型受光素子１８の出力信号電圧で、電界吸収型光変調素子１６を逆バイアスすることで第１の分岐導波路１４ａの信号光の振幅を抑圧する。

電界吸収型光変調素子１６のバイアス電圧と透過光量との関係を図３に示す。図３の横軸は、バイアス電圧を単位Ｖで、縦軸は透過光量を０．５Ｖバイアス時を基準としてｄＢで表わす。−のバイアス電圧は逆バイアスであることを意味する。逆バイアス電圧が増加するに従い透過光量が低下する右肩下がりの特性を示す。入力される信号光Ｉ_ｉｎのパワーが大きければ、光−電圧変換型受光素子１８に入力される信号光Ｉ_ｉｎ・ｘも大となり電界吸収型光変調素子１６を逆バイアスする逆バイアス電圧も大きくなる。この結果、電界吸収型光変調素子１６で減衰された出力信号光Ｉ_ｏｕｔは式（１）で表わせる。

Ｉ_ｏｕｔ＝Ｉ_ｉｎ・（１−ｘ）・Ｔ〔Ｖ（Ｉ_ｉｎ・ｘ）〕 （１）
ここでｘは光分岐導波路１４の分岐比、Ｉ_ｉｎは入力された信号光のレベル、Ｔ〔Ｖ〕はバイアス電圧Ｖの時の電界吸収型素子の透過率、Ｖ（Ｉ_ｉｎ・ｘ）は入力信号光がＩ_ｉｎの時の光−電圧変換型受光素子１８の発生電圧である。このように、入力される信号光Ｉ_ｉｎのパワーが大きくなると、電界吸収型光変調素子１６の逆バイアス電圧は増加する。逆バイアス電圧が増加することで電界吸収型光変調素子１６の透過光量を減衰させ、出力ポート１９に出力される出力光量を所定の範囲で一定に保つことが出来る。
光分岐導波路１４の分岐比を０.９５：０.０５（ｘ＝０.０５）とし、図２に示した入力信号パワーと出力信号電圧の特性を示す光−電圧変換型受光素子１８と、図３に示したバイアス電圧と透過光量の特性を持つ電界吸収型光変調素子１６とで、光レベル調整素子１００を構成した。その光レベル調整素子１００で得られた入力光量に対する出力光量変動の特性を図４に示す。図４の横軸は、入力光量Ｉ_ｉｎをｄＢｍで表わす。縦軸は入力光量０ｄＢｍ（１ｍＷ）の時の出力光量Ｉ_ｏｕｔを基準とした出力光量変動をｄＢで表わす。電界吸収型光変調素子１６を設けた特性は、−８.５ｄＢｍ〜１７ｄＢｍの入力光量の変動に対して、出力光量変動が約４.３ｄＢ〜約−１ｄＢの範囲に収まっている（実線）。このように、実施例１の光レベル調整素子１００によれば、入力光量Ｉ_ｉｎのパワーに変動があっても出力光量Ｉ_ｏｕｔを略一定に保つことが出来る。電界吸収型光変調素子１６を設けず入力光量Ｉ_ｉｎが単なるファイバ接続で出力された場合の特性を図中に破線で示す。この図から実線の特性は、平坦化されていることが良く分かる。

図４に示した特性では約２５ｄＢの入力変動に対して、約５ｄＢの出力光量の変動が見られるが、入力光量の上下限で見るとほぼ平坦化された出力光量となっている。これが、入力光量の増加に伴い出力光量Ｉ_ｏｕｔが増大するような右上がりの特性を示す場合には、光−電圧変換型受光素子１８の光吸収層の積層数を増やして発生電圧を大きくすれば良い。または、電界吸収型光変調素子１６の素子長を増やし、消光比を大きくすれば、出力光量変動を平坦化することが出来る。逆に入力光量増大に伴い、出力光量が低下する右下がりの特性を示す場合には、光−電圧変換型受光素子１８の光吸収層の積層数を減らすか、電界吸収型光変調素子１６の素子長を短くすれば良い。

または、光−電圧変換型受光素子１８が電界吸収型光変調素子１６を逆バイアスする回路中に抵抗器を挿入することで入力光量に対する電界吸収型光変調素子１６への印加電圧勾配を調整するようにしても良い。その方法を図５に示す。光−電圧変換型受光素子１８のＰ型電極１８ａが、電界吸収型光変調素子１６のＮ型電極１６ｂに、光−電圧変換型受光素子１８のＮ型電極１８ｂが、電界吸収型光変調素子１６のＰ型電極１６ａに接続されている。このように、光−電圧変換型受光素子１８が、電界吸収型光変調素子１６を逆バイアスする回路に抵抗器２０を直列に挿入する。この抵抗器２０によって、入力光量に対する電界吸収型光変調素子１６への印加電圧勾配を調整することが可能である。この方法は、光半導体基板１０上に光レベル調整素子１００をモノリシック化して構成した場合の、素子作製上のバラツキによる歩留まり低下を抑制することに対しても効果的である。
以上述べたように、この発明の光レベル調整素子１００は、光学系の各光素子部品が全て光半導体基板上に集積可能な光素子で構成されるので、1個の光半導体基板上に集積化することが可能である。また、駆動電源を必要とする制御器２７（図９）を廃しているので、光レベル調整装置全体として更に小型化することが可能である。

実施例１では、出力光量Ｉ_ｏｕｔを一定に保つことが出来ることを示した。その出力光量は、用いる光−電圧変換型受光素子１８と電界吸収型光変調素子１６の特性によって決定される。光−電圧変換型受光素子１８と電界吸収型光変調素子１６との組み合わせだけでは、所望の出力光量を得られない場合も考えられる。そこで、任意の出力光量が容易に得られる光レベル調整素子の構成を実施例２として図６に示す。

実施例２の光レベル調整素子２００は、光レベル調整素子１００の電界吸収型光変調素子１６と出力ポート１９の間に光増幅素子６０を設けたものである。他の構成は、実施例１の光レベル調整素子１００と同じである。光増幅素子６０は、例えば参考文献特開２００７−６７２２２号公報に開示されたような、多重量子井戸構造を活性層に用いた光増幅素子である。光増幅素子６０は、光半導体基板１０上に半導体プロセスによって作製することが出来る。したがって、光増幅素子６０を備えた光レベル調整素子２００は、実施例１と同じようにモノリシック化が可能である。その利得は、任意の値にすることが可能であり、例えば＋２０ｄＢとすれば、図４に示した入力光量−出力光量変動特性を、プラス方向に２０ｄＢ平行移動させた特性にすることが出来る。光増幅素子６０の利得を調整することで、任意の出力光量の大きさにすることが出来る。

なお、実施例１と２は、光半導体基板１０上にモノリシックで構成する場合を例に説明を行った。しかし、この発明の光レベル調整素子を構成する各光素子部品を、モノリシック化せずに各光素子部品を組み合わせて１個の光レベル調整装置としても良い。

〔光レベル調整装置〕
この発明の光レベル調整装置の実施例を図７に示す。光レベル調整装置３００は、基板７０の上に、それぞれが別々のチップ形状に作製された入力ポート７１と、光分岐導波路７２と、光−電圧変換型受光素子７３と、電界吸収型光変調素子７４と、出力ポート７６とが、例えば紫外線硬化型の接着剤でハイブリッド実装される。光−電圧変換型受光素子７３の出力信号電圧は、導体７５によって電界吸収型光変調素子７４を逆バイアスするように配線される。このように、ハイブリッド(hybrid)化してこの発明の光レベル調整装置を作製しても、上記した光レベル調整素子と同じ機能を実現することが出来る。ハイブリッド化して光レベル調整装置３００を実現すれば、従来のように電子回路化された制御器を必要としないので、光レベル調整装置の小型化が可能である。なお、基板７０は無くても良い。各光素子部品を光ファイバで接続し、光−電圧変換型受光素子７３と電界吸収型光変調素子７４を電気配線して１個の筺体の中にまとめて光レベル調整装置３００を構成しても良い。

〔応用例〕
図８にこの発明の光レベル調整素子１００を搭載した光コネクタ８０の断面を示して、この発明の応用例を説明する。光コネクタ８０のコネクタ筺体８４には、その一方の端面からその長さ方向に延伸するフェルール８２の直径より大きな丸或いは角孔８１が形成されている。この丸或いは角孔８１の底部には、フェルール８２を内径で保持する取り付け孔８３が同軸に形成されている。フェルール８２には、その一方の端面からその長さ方向に延伸する芯線挿通孔８２ａが形成されている。その取り付け孔８３に固定されたフェルール８２の芯線挿通孔８２ａと対向する位置のコネクタ筺体８４には、芯線挿通孔８２ａと同軸の位置に芯線挿通孔８４ａが形成され、光レベル調整素子収納部８９に貫通している。芯線挿通孔８２ａと８４ａに芯線８５が挿通されている。光レベル調整素子収納部８９には、芯線８５と光軸を形成する位置に、図示しない出力ポートをフェルール８２側に、入力ポートをその反対にした向きで光レベル調整素子１００が固定されている。光レベル調整素子１００の出力ポートには、芯線８５が接続され、入力ポートには、光ファイバ固定孔８６に外皮が接着剤８８で固定された光ファイバの芯線８７ａが接続されている。このように、モノリッシク化された光レベル調整素子１００は小型なので、光コネクタ８０内に内蔵することが可能である。光コネクタ８０は、光ファイバ８７を伝達して来た信号光の大きなパワーを抑圧して、フェルール８２を介して図示しない光受信機に入力する。

なお、ハイブリッド化して構成したこの発明の光レベル調整装置３００を、光コネクタと一体化しても良い。この場合でも、この発明による光レベル調整装置３００は、制御器を要しないので、小型の光コネクタとすることが出来る。また、光コネクタ８０を例に上げて説明を行ったが、コネクタ同士を接合するアダプターにこの発明の光レベル調整素子１００を内蔵しても良い。または、光受信機の筺体側に固定される光コネクタに光レベル調整素子１００を内蔵しても良い。

この発明の実施例１の光レベル調整素子１００の機能構成例を示す図。 光−電圧変換型受光素子１８の入力信号パワーと出力信号電圧との関係を示す図。 電界吸収型光変調素子１６に印加したバイアス電圧が０.５Ｖの時の透過光量を基準とした透過光量のバイアス電圧依存性を示す図。 図２に示した特性の光−電圧変換型受光素子１８と、図３に示した特性の電界吸収型光変調素子１６と、分岐比ｘ＝０.０５の光分岐導波路１４とで光レベル調整素子１００を構成した場合の入力光量と出力光量変動との関係を示す図。 光−電圧変換型受光素子１８が電界吸収型光変調素子１６を逆バイアスする回路中に抵抗器を挿入した回路を示す図。 この発明の実施例２の光レベル調整素子２００の機能構成例を示す図。 この発明の光レベル調整装置３００の実施例を示す図。 この発明の光コネクタ８０の断面を示す図。 従来の光レベル調整装置３１の機能構成を示す図。

Claims (5)

1. 信号光が入力される入力ポートと、
   上記入力ポートに入力された信号光を、第１の分岐導波路と第２の分岐導波路に所定の分岐比で分岐する光分岐導波路と、
   上記第２の分岐導波路の信号光が入力され、信号光の強度に応じた電圧を生成する光−電圧変換型受光素子と、
   上記第１の分岐導波路の信号光が入力され、上記光−電圧変換型受光素子から出力される電圧によって当該信号光の振幅を抑圧する電界吸収型光変調素子と、
   上記電界吸収型光変調素子で抑圧した信号光を出力する出力ポートと、
   を具備することを特徴とする光レベル調整装置。
2. 請求項１記載の光レベル調整装置において、
   上記電界吸収型光変調素子で抑圧した信号光を増幅する光増幅素子も具備し、
   上記出力ポートは、上記光増幅素子で増幅された信号光を出力することを特徴とする光レベル調整装置。
3. 同一の光半導体基板上に、
   上記入力ポートに入力された信号光を、第１の分岐導波路と第２の分岐導波路に所定の分岐比で分岐する光分岐導波路と、
   上記第２の分岐導波路の信号光が入力され、信号光の強度に応じた電圧を生成する光−電圧変換型受光素子と、
   上記第１の分岐導波路の信号光が入力され、上記光−電圧変換型受光素子から出力される電圧によって当該信号光の振幅を抑圧する電界吸収型光変調素子と、
   上記電界吸収型光変調素子で抑圧した信号光を出力する出力ポートと、
   が形成されていることを特徴とする光レベル調整素子。
4. 請求項３記載の光レベル調整素子において、
   上記電界吸収型光変調素子で抑圧した信号光を増幅する光増幅素子も上記光半導体基板上に形成され、
   上記出力ポートは、上記光増幅素子で増幅された信号光を出力することを特徴とする光レベル調整素子。
5. 請求項３又は４に記載した光レベル調整素子を搭載した光コネクタ。

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