JP2010153584A

JP2010153584A - 光モジュールおよび波長制御方法

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Publication number: JP2010153584A
Application number: JP2008330050A
Authority: JP
Inventors: Naritaka Itakura; 成孝板倉; Kiyohide Sakai; 清秀酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: JP5315983B2

Abstract

【課題】光モジュールにおいて、波長を高精度に制御しつつ、小型化を可能とすることを目的としている。
【解決手段】光モジュールにおいて、制御された波長の光を発光する発光素子と、互いに平行でない平面としての第１および第２の端面を有するプリズムにおいて、前記発光素子で発光した光が入射光線として第１の端面に入射し、前記入射光線が第１および第２の端面を透過した第１の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面で反射した第２の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面を透過してから第２の端面で反射した後に第１の端面を透過した第３の光線を射出する光分岐部と、前記プリズムからの第１の光線を集光する集光レンズおよび前記集光レンズで集光した第１の光線を出力する光ファイバを有する出力部と、前記プリズムからの第２および第３の光線を受光し前記発光素子が発光する光の波長を制御するための受光結果を出力する受光部と、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、制御された波長の光を出力する光モジュールおよび波長制御方法に関するものである。

従来、波長可変型半導体レーザ素子の波長を可変制御する波長可変光送信器において、波長可変光源素子と、この波長可変光源素子から出射された前方出射光を平行ビームに変換するレンズと、この平行ビームをファイバ入射用と波長モニタ用に分岐するためのビームスプリッタと、このビームスプリッタにより分岐した平行ビームの一部を入射光とするエタロンフィルタと、このフィルタを通過した平行ビームを受光し電気信号に変換する第１光検出器と、ビームスプリッタの分岐光を直接受光して電気信号に変換する第２光検出器とを有するモジュール部、および、発振波長の安定化の制御を行う制御部から構成されたものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００２−１８５０７４号公報

特許文献１に開示されている従来の波長可変光送信器のモジュール部としての光モジュールにおいては、ビームスプリッタによりファイバ入射用平行ビームと垂直な方向に分岐された波長モニタ用平行ビームが、エタロンフィルタや第１および第２光検出器に入射するように配置されているので、光モジュールの寸法が大きくなり、光モジュールの小型化の妨げになっているという問題点があった。また、波長モニタ用平行ビームを受光する第１および第２光検出器が隣接した位置に配置されているので、内部反射による迷光の影響を受けやすいという問題点もあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光モジュールにおいて、波長を高精度に制御しつつ、小型化を可能とすることを目的としている。

この発明に係る光モジュールは、制御された波長の光を発光する発光素子と、互いに平行でない平面としての第１および第２の端面を有するプリズムにおいて、前記発光素子で発光した光が入射光線として第１の端面に入射し、前記入射光線が第１および第２の端面を透過した第１の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面で反射した第２の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面を透過してから第２の端面で反射した後に第１の端面を透過した第３の光線を射出する光分岐部と、前記プリズムからの第１の光線を集光する集光レンズおよび前記集光レンズで集光した第１の光線を出力する光ファイバを有する出力部と、前記プリズムからの第２および第３の光線を受光し前記発光素子が発光する光の波長を制御するための受光結果を出力する受光部と、を備えたものである。

この発明は、光モジュールにおいて、プリズムで３分岐された光線のうち、プリズムを透過した第１の光線を第２の端面側に出力し、プリズムの第１の端面で反射された第２の光線およびプリズムの第２の端面で反射された第３の光線を第１の端面側で波長制御のために受光するようにしたので、波長を高精度に制御しつつ、小型化を可能とすることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による光モジュールは、発振波長が可変制御可能なLD（Laser Diode）素子からの入射光線をプリズムで３分岐し、プリズムを透過した第１の光線を、集光レンズおよび光ファイバを介して出力し、入射端面側に２分岐された平行でない光線のうち、プリズムの入射端面で反射された第２の光線を、エタロンフィルタを介して第１の受光素子で受光して電気信号に変換し、プリズムの射出端面で反射された第３の光線を第２の受光素子で受光して電気信号に変換し、LD素子の発振波長を制御するための電気信号として発振波長制御部に出力するように構成したものである。これにより、迷光の影響を低減して波長を高精度に制御しつつ、小型化を可能とすることができる。

図１は、この発明の実施の形態１による光モジュールを示す構成図としての上面図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１において、光モジュールとしての波長可変LD（Laser Diode）モジュール１は、外部制御により発振波長が可変制御可能な発光素子としてのLD（Laser Diode）素子２と、LD素子２からの出力光をコリメート光とするコリメートレンズ３と、コリメート光を入射光線として入射し、入射光線を３分岐する光分岐部としての楔形プリズム４と、楔形プリズム４の頂角をはさむ２つの平面である入射側の第１の端面および射出側の第２の端面のうち、第１の端面で反射する第２の光線を入射し波長に応じた損失を与えて透過する光フィルタとしてのエタロンフィルタ５と、エタロンフィルタ５を透過後の第２の光線を受光して電気信号に変換する波長検出用の第１の受光素子６と、楔形プリズム４の第２の端面で反射した後、第１の端面を透過した第３の光線を受光して電気信号に変換するパワーモニタ用の第２の受光素子７と、気密窓８と、楔形プリズム４の第１の端面および第２の端面を透過した第１の光線を後述の光ファイバ１１に結合させるための集光レンズ９と、LD素子２への光ファイバ１１からの反射戻光を防ぐための光アイソレータ１０と、外部出力用の光ファイバ１１と、で構成されている。なお、エタロンフィルタ５と第１の受光素子６と第２の受光素子７とで受光部を構成する。集光レンズ９と光ファイバ１１とで出力部を構成する。

また、図１において、波長可変LDモジュール１とは別に、第１の受光素子６および第２の受光素子７で変換された各電気信号の出力比に従ってLD素子２の発振波長をLD素子２への注入電流もしくは温度調整により制御する発振波長制御部１２を設けている。なお、発振波長制御部１２による制御は、波長を可変調整するためのものでも、固定波長に安定化するためのものでも良い。

次に動作について説明する。波長可変LDモジュール１では、LD素子２からのコリメート光を光分岐手段により３分岐して、光ファイバ１１から光を出力し、波長検出用の第１の受光素子６とパワーモニタ用の第２の受光素子７に光を入力する。実施の形態１による波長可変LDモジュール１では、その光分岐手段として図２に示すような楔形プリズム４を用いている。楔形プリズム４の材料は入手性が良く安価なコーティング膜無しのガラスＢＫ７であり、光波長1.55μm帯での屈折率はn = 1.501である。図２において、１３は集光レンズ９の光軸に一致させているパッケージ軸、１４は楔形プリズム４の第１の端面に入射する入射光線、１５は楔形プリズム４の第１の端面および第２の端面を透過した第１の光線、１６は楔形プリズム４の第１の端面で反射した第２の光線、１７は楔形プリズムの第１の端面を透過し第２の端面で反射した後第１の端面を透過した第３の光線である。図２に示すθ₁〜θ₄は以下の式で計算できる。

なお、θ₀は入射光線１４または第３の光線１６と第１の端面の垂線とのなす角であり、θ_１は第１の端面を透過した楔形プリズム４内の光線と第１の端面の垂線とのなす角であり、θ_２は第１の端面を透過した楔形プリズム４内の光線と第２の端面の垂線とのなす角であり、θ_３は第１の光線１５と第２の端面の垂線とのなす角であり、θ_４は第３の光線１７と第１の端面の垂線とのなす角であり、φは楔形プリズム４の頂角である。

この楔形プリズム４の頂角φをφ=16°としてパッケージ軸１３に対してθ₀/2=8°で配置し、LD素子２からパッケージ軸１３に対してθ₀/2=8°傾斜させたコリメート光線としての入射光線１４を入射すると、楔形プリズム４を透過する第１の光線１５はパッケージ軸１３と平行となり、気密窓８を通過後に集光レンズ９、光アイソレータ１０および光ファイバ１１を介して外部へ出力される。なお、θ_３が以下の式を満足するとき、第１の光線１５はパッケージ軸１３と平行となる。

また、受光部においては、第１の端面で反射した第２の光線１６は、パッケージ軸１３との光線角度が3θ₀/2=24°となり、パッケージ軸１３をはさんで入射光線１４とは逆方向への出力となるため、LD素子２とコリメートレンズ３の配置位置と重ならないように、エタロンフィルタ５をパッケージ内部へ有効に設置可能である。また、エタロンフィルタ５からの反射光を、気密窓８を介してパッケージ外部の例えば吸収性のあるニッケルめっき面やステンレス面及び光アイソレータ１０に導くことが容易にできる。また、第２の端面で反射した後第１の端面を透過した第３の光線１７はパッケージ軸１３との光線角度θ₄=25°となり、パッケージ軸１３をはさんで両側に波長検出用の第１の受光素子６とパワーモニタ用の第２の受光素子７を配置できる。

上述の楔形プリズム４を用いた構成により、エタロンフィルタ５からの反射戻り光を防ぐとともに、高精度に波長安定可能な波長可変LDモジュール１として、非常にコンパクトなパッケージへ収納することを可能としている。例えばエタロンフィルタ５の仕様として、高精度に波長を安定化するため、Ｃ帯のITU-Tグリッドで、50GHz間隔、中心波長1550.52nm、波長間隔0.401nmとすると、代表的なエタロンフィルタの材料である石英エタロンや水晶エタロンでは、寸法が約2mmと大きなサイズとなる。特許文献１のようにビームスプリッタで光軸に対し90度曲げてエタロンフィルタを透過させる構造では、パッケージの横幅の寸法が大きくなり、モジュールの小型化が困難である。これに対し、この発明の実施の形態１では、楔形プリズム４を用いることでパッケージ軸１３に対し約24°の傾きでエタロンフィルタ５を配置できるため、モジュール内のスペースを有効利用できる。さらに、この発明の実施の形態１では、LD素子２を第２の受光素子７寄りに配置し、楔形プリズム４に、LD素子２からのコリメート光線をパッケージ軸１３に対し8°傾けて入射する構成としている。これにより、エタロンフィルタ５の配置スペースを拡大し、モジュールの小型化を容易にしている。

次に、楔形プリズム４の各境界面でのP波とS波のエネルギー反射率R_P、R_Sは、入射角をθ_in、出射角をθ_outとして以下の式で表せる。

図３は第１の端面への光線入射角度に対する第１の端面でのエネルギー反射率、図４は第１の端面への光線入射角度に対する第２の端面でのエネルギー反射率、図５は第１の端面への光線入射角度に対する第２の端面から第１の端面への戻り光への第１端面でのエネルギー反射率である。図３、４において、１回目の反射光と透過光については、第１の端面への光線入射角度が16°と小さいので反射率の偏波依存性は比較的小さく、P波およびS波ともに反射率は4%程度である。第２の端面から第１の端面への戻り光への第１端面でのエネルギー反射率は光線角度が大きくなるため図５に示す通り偏波依存性が比較的大きくなり、P波の反射率は2.1%、S波の反射率は6.3%となる。すなわち、第３の光線として透過するときの透過率は、P波では97.9%、S波の反射率は93.7%となる。LD素子２からの水平偏波が入射する場合はP偏光のみであり、偏波依存性は生じない。また、後述の実施の形態３による構成のように、エタロンフィルタ５からの反射対策として光アイソレータ１０をLD素子２の直後に配置する場合には、45%の偏波回転があるためP波とS波の両偏波が発生する。その場合、例えば光アイソレータ１０を図示しない温度制御手段に配置して偏波消光比の変化を抑える工夫が有効である。

以上のように、この発明の実施の形態１による光モジュールにおいては、小型なモジュールパッケージ内において、エタロンフィルタの反射光による受光素子への迷光成分を排除し、レーザ光の発振波長を高精度に制御できる。実施の形態１では、LD素子からの出力光の受光部への光分波手段を、楔形プリズムのみで構成し、かつ迷光成分の排除も同時に実現しているため、部品数が少なく、モジュール内部は非常に簡易な構造となり、波長可変LDモジュールの小型化および低コストでの提供が可能である。

なお、プリズムの形状は楔形に限られず、例えば台形でも良く、要するに、入射端面側に２分岐し、射出端面側に１分岐することで、３分岐できる形状のものであれば良い。また、エタロンフィルタ５における透過波長周期性の周波数間隔は、50GHzに限られず、例えば100GHz、25GHzでも良い。また、光フィルタは、エタロンフィルタに限られず、要するに、波長に応じた損失を与えるものであれば良い。また、発光素子は、LD素子に限られず、要するに、波長を可変制御可能な光源であればどのような光源でも良い。また、光源の出力光がほぼ平行光であれば、コリメートレンズ３は省略可能である。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による光モジュールは、この発明の実施の形態１による光モジュールと同様の構成に加え、エタロンフィルタの反射光を吸収する光吸収ブロックを配置するように構成したものである。これにより、エタロンフィルタの反射光による受光素子への迷光成分を排除し、レーザ光の発振波長をさらに高精度に制御できる。

図６は、この発明の実施の形態２による光モジュールを示す構成図としての上面図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図６において、エタロンフィルタ５の反射光が楔形プリズム４の第１の端面および第２の端面を透過後に導かれる位置に、光入射面に対し光吸収性をもった光吸収手段としての光吸収ブロック１８を配置している。この光吸収ブロック１８を追加するように構成した以外は、この発明の実施の形態１による光モジュールと同様の構成である。

次に動作について説明する。実施の形態１では、気密窓８を介し外部へ反射光を逃がす構成としているが、楔形プリズム４への入射光角度を大きくしたい場合や、エタロンフィルタ５や第１の受光素子６および第２の受光素子７の配置を変更したい場合に、光線を気密窓８に入射させることが困難となる場合がある。また、気密窓８の寸法が非常に小さい場合も光線を気密窓８に入射することが困難となる。これに対し、実施の形態２では、光吸収ブロック１８をエタロンフィルタ５の反射光が通過する位置に配置する構成のため、モジュール内の配置変更や、エタロンフィルタ５の設置角度変更にフレキシブルに対応可能である。なお、光吸収ブロック１８は、楔形プリズム４とパッケージ壁の間への設置のみならず、反射光が導かれる位置のパッケージ壁面上に配置しても良いし、反射光が導かれる位置のパッケージ壁面自体を光の吸収性がある材料で構成しても良い。

以上のように、この発明の実施の形態２による光モジュールにおいては、エタロンフィルタの反射光を吸収する光吸収ブロックを配置するようにしている。これにより、エタロンフィルタの反射光による受光素子への迷光成分を排除し、レーザ光の発振波長をさらに高精度に制御できる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による光モジュールは、この発明の実施の形態１による光モジュールの構成において、楔形プリズムと光ファイバの間に配置していた光アイソレータを、LD素子と楔形プリズムの間に配置するように構成を変更したものである。これにより、LD素子への迷光成分を排除し、レーザ光の発振波長をさらに高精度に制御できる。

図７は、この発明の実施の形態３による光モジュールを示す構成図としての上面図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図７において、光アイソレータ１０を、コリメートレンズ３を介してLD素子２と楔形プリズム４の間に配置している。この光アイソレータ１０の配置を変更するように構成した以外は、この発明の実施の形態１による光モジュールと同様の構成である。

次に動作について説明する。図１に示す実施の形態１による構成では、低コスト化のためにパッケージ軸１３に直角に気密窓８を設ける場合、楔形プリズム４の第１の端面および第２の端面を透過した光線が気密窓８に垂直入射されることとなるので、この反射戻り光がLD素子２と結合することが問題となる場合がある。これに対して、図７に示す実施の形態１による構成とすることで、この問題を解決できる。すなわち、気密窓８からの反射戻り光は、光アイソレータ１０をほとんど透過しないので、LD素子２と結合しない。なお、この問題に対しては光学系全体を斜めにする対策も考えられる。

また、図１に示す実施の形態１による構成では、コリメートレンズ３、楔形プリズム４およびエタロンフィルタ５の接着固定時の角度ずれや、楔形プリズム４およびエタロンフィルタ５自体の取り付け面の傾きなどによる光軸ずれにより、エタロンフィルタ５からの反射戻り光がLD素子２に結合する可能性がある。これに対して、図７に示す実施の形態１による構成とすることで、この問題を解決できる。すなわち、エタロンフィルタ５からの反射戻り光は、光アイソレータ１０をほとんど透過しないので、LD素子２と結合しない。

以上のように、この発明の実施の形態３による光モジュールにおいては、LD素子２への反射戻り光をほとんど透過しない光アイソレータ１０を配置するようにしている。これにより、LD素子２への迷光成分を排除し、レーザ光の発振波長をさらに高精度に制御できる。

この発明の実施の形態１による光モジュールを示す構成図この発明の実施の形態１による光モジュールを説明するための説明図この発明の実施の形態１による光モジュールを説明するための説明図この発明の実施の形態１による光モジュールを説明するための説明図この発明の実施の形態１による光モジュールを説明するための説明図この発明の実施の形態２による光モジュールを示す構成図この発明の実施の形態３による光モジュールを示す構成図

符号の説明

１波長可変LDモジュール
２ LD素子
４楔形プリズム
５エタロンフィルタ
６第１の受光素子
７第２の受光素子
８気密窓
９集光レンズ
１０光アイソレータ
１１光ファイバ
１２発振波長制御部
１３パッケージ軸
１４入射光線
１５第１の光線
１６第２の光線
１７第３の光線
１８光吸収ブロック

Claims

制御された波長の光を発光する発光素子と、
互いに平行でない平面としての第１および第２の端面を有するプリズムにおいて、前記発光素子で発光した光が入射光線として第１の端面に入射し、前記入射光線が第１および第２の端面を透過した第１の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面で反射した第２の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面を透過してから第２の端面で反射した後に第１の端面を透過した第３の光線を射出する光分岐部と、
前記プリズムからの第１の光線を集光する集光レンズおよび前記集光レンズで集光した第１の光線を出力する光ファイバを有する出力部と、
前記プリズムからの第２および第３の光線を受光し前記発光素子が発光する光の波長を制御するための受光結果を出力する受光部と、
を備えたことを特徴とする光モジュール。
前記受光部は、前記プリズムからの第２の光線に波長に応じた損失を与えて透過する光学フィルタ、前記光学フィルタからの第２の光線を受光する第１の受光素子、および、前記プリズムからの第３の光線を受光する第２の受光素子を有し、前記発光素子が発光する光の波長を制御するための前記第１および第２の受光素子による受光結果を出力することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記第１および第２の受光素子が前記集光レンズの光軸をはさむように配置され、前記発光素子が前記集光レンズの光軸に対して前記第２の受光素子寄りに配置され、前記第１の光線が前記集光レンズの光軸に平行に射出されるように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
エタロンフィルタとしての前記光学フィルタにおける入射面の垂線が前記第２の光線の入射方向に対し傾斜して配置されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光モジュール。
エタロンフィルタとしての前記光学フィルタにおける透過波長周期性の周波数間隔が100GHz、50GHzまたは25GHzであることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の光モジュール。
エタロンフィルタとしての前記光学フィルタによる反射光が入射するように配置された光吸収手段、光アイソレータまたは気密窓と、
を備えたことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれかに記載の光モジュール。
前記発光素子と前記プリズムとの間に配置された光アイソレータと、
を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光モジュール。
制御された波長の光を発光する発光ステップと、
互いに平行でない平面としての第１および第２の端面を有するプリズムにおいて、前記発光ステップで発光した光が入射光線として第１の端面に入射し、前記入射光線が第１および第２の端面を透過した第１の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面で反射した第２の光線を射出し、前記入射光線が第１の端面を透過してから第２の端面で反射した後に第１の端面を透過した第３の光線を射出する光分岐ステップと、
前記プリズムからの第１の光線を集光レンズで集光し、この集光した第１の光線を光ファイバで出力する出力ステップと、
前記プリズムからの第２および第３の光線を受光する受光ステップと、
前記受光ステップによる受光結果に基づいて前記発光ステップで発光する光の波長を制御する波長制御ステップと、
を備えたことを特徴とする波長制御方法。