JP2011165714A

JP2011165714A - 光送受信器

Info

Publication number: JP2011165714A
Application number: JP2010023390A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Miki; 隆弘三木; Moriyasu Ichino; 守保市野; Toru Ukai; 徹鵜飼
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】同軸型パッケージの内部空間に温度測定素子を配置する余裕がなく、また、パッ
ケージのリードピン本数が制限される状況下においても、ＬＤ及びＡＰＤの近傍の温度を
検出することが可能な光送受信器を提供する。
【解決手段】光送受信器１は、送信光を発するＬＤ１８、送信光のモニタ光を受光する送
信光モニタ用ＰＤ１２、及び受信光を受光する受信用ＡＰＤ２０をＣＡＮパッケージ１０
に搭載する光送受信モジュール２と、ＬＤ１８の光出力を制御し、受信用ＡＰＤ２０へバ
イアス電圧を印加する制御回路４とを備える。制御回路４は、定電流源５が生成する定電
流を送信光モニタ用ＰＤ１２に供給するとともに送信光モニタ用ＰＤ１２における電圧降
下を検出し、該電圧降下に基づいて得られるパッケージ内温度を基にして、ＬＤ１８に供
給する駆動電流、および受信用ＡＰＤ２０に印加するバイアス電圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光送受信器に関するものである。

光通信に使用される半導体レーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）の発光特性（Ｉ
［電流］−Ｌ［光出力］特性と総称される）は、温度に強く依存する。すなわち、ＬＤの
閾値電流、及び当該閾値電流より大きい電流バイアス条件におけるＩ−Ｌ特性のスロープ
効率は温度の関数である。低温では、閾値電流は小さく、スロープ効率が大きいのに対し
て、高温では、閾値電流は大きく、スロープ効率は小さくなる。従って、ＬＤを高周波で
変調するときに、広い温度範囲で一定の平均光出力とその消光比を維持しようとする場合
には、バイアス電流Ｉｂ及び変調電流Ｉｍを温度に追随して変化させなければならない。

このようなＬＤの発光特性の温度依存性に対応するために、ＬＤの温度にかかわらず光
出力を一定にするオートパワーコントロール（ＡＰＣ）温度補償回路において、ＬＤの温
度を測定するためにＬＤと接触するヒートシンク上にサーミスタが設けられている（下記
特許文献１参照）。また、ＬＤを光源とする光送信器で温度補償のうち自動温度制御（Ａ
ＴＣ）を行う場合には、レーザの直近に配置したサーミスタで温度を検出し、ペルチェ素
子で温度が一定となるように制御している（下記特許文献２参照）。

従来は、サーミスタ等の温度によってその抵抗値を変換させる感熱素子を用いて、現時
点の抵抗値を測定することでＬＤの温度を検知している。上記平均光出力及び消光比はこ
のようにして検知されたＬＤ温度を基準に補償される必要があるので、感熱素子はＬＤ近
傍に配置してＬＤそのものの温度を検知する必要がある。例えば、ＬＤがＴＥＣ（Thermo
-Electric Cooler）等の温度制御デバイス上に搭載されている場合には、サーミスタも当
該ＴＥＣ上に配置する。ＬＤが同軸型パッケージに封止されているような場合には、サー
ミスタはパッケージステム上に配置して、可能な限りＬＤの直近の温度を検知することが
必要である。

特開平６−６９６００号公報特開平９−３１２４４１号公報特開２００２−２１７８３３号公報

近年、双方向光通信用デバイスのように、送信光を出力する送信用デバイスと、受信光
を入力する受信用デバイスとの両方を同一パッケージ内に搭載するといった、高集積化の
要請が生じてきている。

双方向光通信用デバイスの主な用途として、ＰＯＮ（Passive Optical Network）シス
テムなどの加入者系光通信網が想定される。ＰＯＮシステムではＰｔｏＰ（Peer toPeer
）の伝送距離にばらつきがあり、受信端ノードでの受信光強度が、その伝送距離に応じて
大きな変動幅を有することになる。受信用デバイスとしては多くの場合フォトダイオード
が使用されるが、ＰＩＮフォトダイオードではこの受信光強度の変動幅を吸収できない。
したがって、一般的には、受信用デバイスとしてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ
：AvalanchePhotodiode）を採用し、そのバイアス電圧を調整することでキャリア増倍係
数を変化させ、この受信光強度の変動幅を吸収する。

このような双方向光通信用デバイスに用いられるパッケージには、ＬＤ等の送信用デバ
イスのためのリードピンに加えて、ＡＰＤ等の受信用デバイスのためのリードピンが必要
となる。また、ＡＰＤには、キャリア増倍特性を有しないＰＩＮフォトダイオード等と比
較して、その温度特性、特にキャリア増倍係数の温度特性の変動幅が大きいという特徴が
ある。したがって、ＡＰＤを安定的に用いるには、ＡＰＤの温度に応じてバイアス電圧を
制御することが望ましい。そこで、ＡＰＤの温度を精度良く検出するため、パッケージ内
に温度測定素子であるサーミスタを配置するとともに、このサーミスタから出力される信
号を処理するための回路をパッケージの外部に設けることとなる。

その結果、パッケージに各種信号やバイアス電圧を入出力するためのリードピンの本数
が増加する。従来、パッケージ内部にＴＥＣを有する場合には、リードピン本数が比較的
多い所謂バタフライパッケージを採用し、リードピンの配分に余裕を持たせていた。しか
し、近年では部品の小型化の要請を反映して、バタフライパッケージより小型の同軸型パ
ッケージ（ＣＡＮパッケージ）を採用する場合が増えており、用意できるリードピンの本
数に制限が生じるケースが増えている。そのため、パッケージ内部にＬＤ及びＡＰＤを搭
載し、且つ、これらの温度を検知するためのサーミスタを搭載したとしても、それらに必
要なリードピンをパッケージに設けることが困難になってきている。更には、同軸型パッ
ケージ内部にＬＤ及びＡＰＤを搭載するとパッケージ内部空間に余裕がなくなり、サーミ
スタを配置することすら困難になる場合もある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、同軸型パッケージの内部空間に
温度測定素子を配置する余裕がなく、また、パッケージのリードピン本数が制限される状
況下においても、ＬＤ及びＡＰＤの近傍の温度を検出することが可能な光送受信器を提供
することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光送受信器は、送信光を発する半導体レーザ、送信
光のモニタ光を受光する送信光モニタ用フォトダイオード、及び受信光を受光する受信用
アバランシェフォトダイオードを同軸型パッケージに搭載する光送受信モジュールと、同
軸型パッケージの外部に配置され、半導体レーザの光出力を制御するとともに受信用アバ
ランシェフォトダイオードへバイアス電圧を印加する制御回路とを備える光送受信器にお
いて、同軸型パッケージの外部に配置された定電流回路を更に備え、制御回路が、定電流
回路が生成する定電流を送信光モニタ用フォトダイオードに供給するとともに送信光モニ
タ用フォトダイオードにおける電圧降下を検出し、該電圧降下に基づいて得られるパッケ
ージ内温度を基にして、半導体レーザに供給する駆動電流、および受信用アバランシェフ
ォトダイオードに印加するバイアス電圧を制御する。

このような光送受信器によれば、半導体レーザの送信光をパッケージ内でモニタするフ
ォトダイオードに対して定電流を供給して、そのフォトダイオードにおける電圧降下を検
出することによりパッケージ内温度が検出され、そのパッケージ内温度を基に、半導体レ
ーザの駆動電流、及び受信用アバランシェフォトダイオードのバイアス電圧が制御される
。これにより、パッケージ内温度を検出するためのリードピンや温度測定素子をパッケー
ジ内に新たに準備する必要が無いので、同軸型パッケージの内部空間に温度測定素子を配
置する余裕がなく、また、パッケージのリードピン本数が制限される状況下においても、
半導体レーザ及びアバランシェフォトダイオードの近傍の温度を検出し、この温度を基に
した半導体レーザの発光制御及びアバランシェフォトダイオードのバイアス制御が実現さ
れる。

ここで、制御回路は、ＰＯＮシステムにより割り当てられた送信光の送信期間外に間欠
的に定電流を送信光モニタ用フォトダイオードに供給するように制御することが好ましい
。

この場合、ＰＯＮシステムでの上り信号系では光送受信器に送信期間が間欠的に割り当
てられるので、その割り当てられた時間外に送信光モニタ用フォトダイオードを温度検出
用に動作させることで効率的にパッケージ内温度をモニタすることができる。

さらに、制御回路は、駆動電流を生成する駆動回路の基準電位となる送信側グランド配
線と、送信側グランド配線と分離されており、バイアス電圧を生成するバイアス生成回路
の基準電位となる受信側グランド配線と、送信光モニタ用フォトダイオードのアノード側
の接続先を、定電流回路及び送信側グランド配線のうち何れかに切り替える第１のスイッ
チと、送信光モニタ用フォトダイオードのカソード側の接続先を、送信用バイアス電源及
び受信側グランド配線のうち何れかに切り替える第２のスイッチとを有することも好まし
い。

半導体レーザを駆動するには比較的大きな電流を高速でスイッチングする必要があるの
に対し、受信用アバランシェフォトダイオードで変換された信号は極めて微小であり、こ
の微小な信号が駆動電流の影響を容易に受けてしまうおそれがある。すなわち、大きな電
流がグランド配線に流れ込むことで接地電位が揺らぎ、この揺らぎが微小な信号に影響を
与えることが考えられる。制御回路が上記構成を有することによって、このような同相雑
音を効果的に抑えることができる。

本発明の光送受信器によれば、同軸型パッケージの内部空間に温度測定素子を配置する
余裕がなく、また、パッケージのリードピン本数が制限される状況下においても、ＬＤ及
びＡＰＤの近傍の温度を検出することが可能となる。

本発明の光送受信器の好適な一実施形態の構成を示す回路図である。図１のモジュール本体の内部構造を示す切欠斜視図である。図１のモジュール本体のリードピン接続状況を示す図である。図１の光送受信器の動作を示すフローチャートである。素子温度を変化させた場合のダイオードの順方向電圧と順方向電流との関係を示すグラフである。素子温度を変化させた場合のＡＰＤのバイアス電圧と生成電流との関係を示すグラフである。ＰＯＮシステムにおける主局（ＯＬＴ）と端末局（ＯＮＵ）との間のデータ送受のタイミングの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光送受信器の好適な実施形態について詳細に説明
する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明
を省略する。

図１は、本発明の光送受信器の好適な一実施形態に係る光送受信器１の構成を示す回路
図である。この光送受信器１は、光通信において光信号を送受信するための装置であり、
発光モジュールである光送信サブアッセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub As
sembly）と受光モジュールである光受信サブアッセンブリ（ＲＯＳＡ：ReceiverOpticalS
ub Assembly）とを含む光送受信モジュール２と、光送受信モジュール２を制御する集積
回路３とによって構成されている。ＴＯＳＡは、送信光を発する半導体レーザ（以下、「
ＬＤ」という）１８と、送信光のモニタ光を受光するフォトダイオード（以下、「送信光
モニタ用ＰＤ」という）１２とをＣＡＮ型パッケージに封止したものであり、ＲＯＳＡは
、ＴＯＳＡと共通のパッケージ内に、受信光を受光するアバランシェフォトダイオード（
以下、「受信用ＡＰＤ」という）２０と、ＡＰＤ２０からの出力信号を増幅するためのプ
リアンプ（ＴＩＡ：TransImpedance Amplifier）２２とを封止したものである。

図２は、光送受信モジュール２の内部構造を示す切欠斜視図である。同図に示すように
、光送受信モジュール２は、略円形の同軸型ステム１０ａとキャップ１０ｂとを有するＣ
ＡＮパッケージ１０を備えている。キャップ１０ｂの天井中央部には開口が形成されてお
り、この開口にレンズ２６がシールグラス等により実装されている。ステム１０ａとキャ
ップ１０ｂとは互いに抵抗溶接により接合され、ＬＤ１８等のデバイスの搭載空間を気密
に保つ。ステム１０ａの上面には、送信ユニットとして送信光モニタ用ＰＤ１２及びＬＤ
１８が、受信ユニットとして受信用ＡＰＤ２０及びプリアンプ２２が、それぞれ配置され
ている。更に、特定の波長成分を選択的に反射する波長フィルタ１４がステム１０ａの上
面に配置されている。また、ＣＡＮパッケージ１０には複数のリードピン３０が設けられ
ている。これらリードピン３０は、ステム１０ａを貫通しており、給電、接地および電気
信号の入出力端子として利用される。

ＬＤ１８はＬＤサブマウント２８を介してステム１０ａの突出部１０ｃに搭載されてお
り、送信光モニタ用ＰＤ１２は複数のリードピン３０のうち一本の先端部３１に直接搭載
されている。この先端部３１のＰＤ載置面は、ステム１０ａの主面１０ｄに対して９０°
より大きい角度を為している。これは、ＬＤ１８の背面から出射した光を送信光モニタ用
ＰＤ１２が受光する際に、送信光モニタ用ＰＤ１２の受光面で反射した光が再度ＬＤ１８
に入射し光雑音源となることを避けるためである。

受信用ＡＰＤ２０は、ステム１０ａの主面１０ｄのほぼ中央に、ＰＤサブマウント３２
を介して搭載されている。プリアンプ２２は、ステム１０ａの主面１０ｄ上において、受
信用ＡＰＤ２０の直近（背面側の直近）の領域に配置されている。なお、プリアンプ２２
の近傍に、プリアンプ２２の電源電圧を安定化させるためのバイパスコンデンサ（ダイキ
ャップコンデンサ）が更に配置される場合もある。

波長フィルタ１４は、送信ユニットと受信ユニットとの境界に配置され、ステム１０ａ
の主面１０ｄに対して反射面１４ａがほぼ４５°の角度を為すように配置されている。な
お、図２では波長フィルタ１４はキャップ１０ｂにより支持されているが、この形態に代
えて、ステム１０ａの主面１０ｄ上に搭載ブロックを載置し、当該ブロック上に波長フィ
ルタ１４を配置することも可能である。

この光送受信モジュール２では、レンズ２６の上方に一本の光ファイバが光学的に接続
される。ＬＤ１８は、所定の第１の波長域の送信光（例えば、１．３μｍ）を発する。こ
の送信光は、フィルタ１４で反射された後、レンズ２６により光ファイバへ向けて集光さ
れる。一方、受信用ＡＰＤ２０は、送信光とは異なる所定の第２の波長域の受信光（例え
ば、１．４８μｍ又は１．５５μｍ）を、その光ファイバから波長フィルタ１４を介して
受ける。受信光は、光ファイバから出射された後、レンズ２６により集光され、波長フィ
ルタ１４を透過して受信用ＡＰＤ２０に入射する。

図３は、光送受信モジュール２が有する複数のリードピン３０の接続状況を示す図であ
る。複数のリードピン３０は、同図に示されるリードピン３０ａ〜３０ｉを含んでいる。

本実施形態においては、ＬＤ１８はＬＤ駆動回路４２から供給される差動信号（相補的
な信号）により駆動される。この差動信号は、リードピン３０ａ，３０ｂを介して、ＬＤ
１８のアノード及びカソードにそれぞれ供給される。また、送信光モニタ用ＰＤ１２のア
ノードはリードピン３０ｃを介して送信用グランド（ＧＮＤ）配線１３に接続（接地）さ
れ、送信光モニタ用ＰＤ１２のカソードからの信号は、リードピン３０ｄを介して光出力
制御（ＡＰＣ：Auto Power Control）回路４７に提供される。ＡＰＣ回路４７は、送信光
モニタ用ＰＤ１２から提供される信号に基づいて、ＬＤ１８の発光強度及びその消光比が
一定になるように、ＬＤ駆動電流の帰還制御を行う。

一方、受信用ＡＰＤ２０は、受信光を電気信号（光電流）に変換する。受信用ＡＰＤ２
０のアノードはプリアンプ２２の入力端に接続され、受信用ＡＰＤ２０のカソードは、リ
ードピン３０ｅを介してバイアス生成回路４８に接続されている。プリアンプ２２は、受
信用ＡＰＤ２０から出力された光電流を、相補信号である電圧信号に変換するとともに増
幅する。プリアンプ２２の相補出力は、リードピン３０ｆ，３０ｇを介して、ＣＡＮパッ
ケージ１０の外部に設けられた信号処理回路４９に提供される。なお、プリアンプ２２の
電源端子は、リードピン３０ｈを介して定電圧源６１に接続されており、プリアンプ２２
のＧＮＤ端子は、リードピン３０ｉを介して受信側グランド配線１５に接続（接地）され
ている。

再び図１を参照する。集積回路３は、ＣＡＮパッケージ１０の外部に配置されており、
光送受信モジュール２のＬＤ１８の光出力を制御する制御回路４と、光送受信モジュール
２の送信光モニタ用ＰＤ１２に定電流を供給する定電流源（定電流回路）５とから構成さ
れている。これらの制御回路４及び定電流源５と光送受信モジュール２とは、リードピン
３０ａ〜３０ｉ（図３）を介して電気的に接続されている。

制御回路４は、ＬＤ１８に駆動電流を供給するＬＤ駆動回路４２と、ＡＰＣ回路４７（
図３）を構成するＣＰＵ４３と、送信光モニタ用ＰＤ１２と集積回路３との接続を切り替
えるスイッチＳＷ_１，ＳＷ_２と、受信用ＡＰＤ２０にバイアス電圧を印加するバイアス生
成回路４８とを有している。

ＬＤ駆動回路４２は、ＬＤ１８のカソードに接続されるとともに、ＣＰＵ４３にＤ／Ａ
コンバータ４４を介して接続され、ＣＰＵ４３からの制御信号に応じてＬＤ１８に供給す
る駆動電流（バイアス電流及び変調電流）を調整する。また、ＣＰＵ４３は、送信光モニ
タ用ＰＤ１２のアノードにＡ／Ｄコンバータ４５を介して接続され、送信光モニタ用ＰＤ
１２のアノードにおける電位をモニタできるように構成されている。また、バイアス生成
回路４８は、受信用ＡＰＤ２０のカソードに接続されるとともに、ＣＰＵ４３にＤ／Ａコ
ンバータ４６を介して接続され、ＣＰＵ４３からの制御信号に応じて受信用ＡＰＤ２０に
印加するバイアス電圧を調整する。

スイッチＳＷ_２は、本実施形態における第２のスイッチであり、３つの端子Ｔ_２１，Ｔ
_２２及びＴ_２３を有し、第１の端子Ｔ_２１が送信光モニタ用ＰＤ１２のカソードに接続さ
れ、第２の端子Ｔ_２２に送信側バイアス電圧ＶｃｃＴが印加され、第３の端子Ｔ_２３が受
信側グランド配線１５に接続されている。このスイッチＳＷ_２は、ＣＰＵ４３からの制御
により、送信光モニタ用ＰＤ１２のカソードと、送信側バイアス電圧ＶｃｃＴ及び受信側
グランド配線１５との接続を切り替える。また、スイッチＳＷ_１は、本実施形態における
第１のスイッチであり、３つの端子Ｔ_１１，Ｔ_１２及びＴ_１３を有し、第１の端子Ｔ_１１
が送信光モニタ用ＰＤ１２のアノードに接続され、第２の端子Ｔ_１２が定電流源５に接続
され、第３の端子Ｔ_１３が抵抗Ｒ_１を介して送信側グランド配線１３に接続されている。
このスイッチＳＷ_１は、ＣＰＵ４３からの制御により、送信光モニタ用ＰＤ１２のアノー
ドと、定電流源５及び送信側グランド配線１３との接続を切り替える。

定電流源５は、トランジスタ５１、差動増幅器５２、及び抵抗Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４を備え
ている。トランジスタ５１のコレクタはスイッチＳＷ_１の第２の端子Ｔ_１２に接続され、
そのベースは差動増幅器５２の出力に接続され、そのエミッタには抵抗Ｒ_２を介してバイ
アス電圧Ｖｒｅｆが印加される。さらに、差動増幅器５２の非反転入力には、バイアス電
圧Ｖｒｅｆを２つの抵抗Ｒ_３，Ｒ_４で分圧して得られるリファレンス電圧Ｖｉが印加され
、その反転入力にはトランジスタ５１のエミッタが接続されている。このような構成の定
電流源５は、トランジスタ５１のエミッタ電位Ｖｅを抵抗Ｒ_３，Ｒ_４で決定されるリファ
レンス電位Ｖｉとなるように、下記式（１）で表される定電流Ｉｔを生成してスイッチＳ
Ｗ_１の第２の端子Ｔ_１２から出力する。この定電流Ｉｔは、光送受信モジュール２のＣＡ
Ｎパッケージ１０の内部温度に依存しない値となる。
Ｉｔ＝（Ｖｒｅｆ−Ｖｉ）／Ｒ_２ …（１）

以下、図４を参照して、光送受信器１による駆動電流制御方法及び温度測定方法につい
て説明する。図４は、光送受信器１による光出力制御時の動作を示すフローチャートであ
る。

光出力制御時に送信光のモニタを行う際には、ＣＰＵ４３によって、スイッチＳＷ_１が
第３の端子Ｔ_１３側に切り替えられると同時に、スイッチＳＷ_２が第２の端子Ｔ_２２側に
切り替えられる（ステップＳ０１、光パワーモニタモード）。これにより、送信光モニタ
用ＰＤ１２のカソードは送信用バイアス電圧ＶｃｃＴに接続され、アノードは抵抗Ｒ_１を
介して送信側グランド配線１３に接続される。このため、送信光モニタ用ＰＤ１２には逆
バイアス電圧を印加することになり、抵抗Ｒ_１には、送信光モニタ用ＰＤ１２で受光され
る光パワーＰ［ｍＷ］に応じて、Ｉｐｄ＝η_１×Ｐで決まる電流Ｉｐｄが流れる（η_１は
変換効率）。その結果、Ａ／Ｄコンバータ４５には電圧Ｖｐｄ＝Ｒ_１×Ｉｐｄ＝Ｒ_１×η
_１×Ｐが入力され、ＣＰＵ４３においてＬＤ１８の光パワーのモニタが可能となる（ステ
ップＳ０２）。

そこで、ＣＰＵ４３は、光パワーのモニタ値が目標値と一致しているか否かを判定する
（ステップＳ０３）。判定の結果、光モニタ値が目標値と一致していない場合には（ステ
ップＳ０３；ＮＯ）、光モニタ値が目標値に近づくようにＤ／Ａコンバータ４４に出力す
る制御値を変更する（ステップＳ０４）。このような制御を繰り返すことにより、ＡＰＣ
による光出力の制御が実行される。

一方、光モニタ値が目標値と一致した場合には（ステップＳ０３；ＹＥＳ）、ＣＰＵ４
３によるＬＤ１８に対するＡＰＣ制御が停止され、ＬＤ１８の駆動電流が現在値に維持さ
れる。同時に、ＣＰＵ４３によって、スイッチＳＷ_１が第２の端子Ｔ_１２側に切り替えら
れると同時に、スイッチＳＷ_２が第３の端子Ｔ_２３側に切り替えられる（ステップＳ０５
、温度モニタモード）。この状態によって、送信光モニタ用ＰＤ１２のカソードは受信側
グランド配線１５に接続され、送信光モニタ用ＰＤ１２のアノードは定電流源５に接続さ
れる。これにより、送信光モニタ用ＰＤ１２による光パワーのモニタ動作が停止されると
ともに、送信光モニタ用ＰＤ１２の順方向に、ＣＡＮパッケージ１０の内部温度に依存し
ない定電流Ｉｔが供給される。

上記の温度モニタモードへの切り替えに伴って、送信光モニタ用ＰＤ１２における電圧
降下値がＡ／Ｄコンバータ４５を経由してＣＰＵ４３によって読み込まれることにより、
ＣＰＵ４３によって送信光モニタ用ＰＤ１２における電圧降下が検出される（ステップＳ
０６）。なお、送信光モニタ用ＰＤ１２における電圧降下値Ｖｆは、下記式（２）；
Ｖｆ ≒ η_２×ｋＴ／ｑ×ｌｎ（Ｉｔ／Ｉｓ） …（２）
によって与えられる（η_２：理想因子（プロセス依存値）、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：素
子絶対温度、ｑ：電子電荷量、Ｉｓ：逆方向飽和電流）。ここで、η_２、ｋ、ｑ、Ｉｓは
素子個体毎に一定値であるので、送信光モニタ用ＰＤ１２における電圧降下値Ｖｆは、定
電流Ｉｔが一定に維持されれば送信光モニタ用ＰＤ１２の素子温度Ｔの一次関数となり、
温度Ｔにのみ依存することになる。例えば、ダイオードの順方向電圧降下の素子温度に対
する変化量は、送信光モニタ用ＰＤ１２を構成する半導体材料に依存する物理量である約
−２ｍＶ／℃である。図５には、素子温度を変化させた場合のダイオードの順方向電圧と
順方向電流との関係を示している。このように、素子温度が−４０℃、２５℃、８５℃と
上昇すれば、それに伴って順方向電圧は低下する。

上記の関係より、スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２の接続抵抗は無視できるほど小さいため、Ｃ
ＰＵ４３は、Ａ／Ｄコンバータ４５の出力値Ｄｔに対して、下記式（３）；
Ｔｍｏｎ＝ａ×Ｄｔ＋ｂ …（３）
によって与えられる換算式（ａ，ｂ：モニタ換算定数）を適用することにより、光送受信
モジュール２のパッケージ内温度Ｔｍｏｎを算出する（ステップＳ０７）。

その後、ＣＰＵ４３は、温度モニタモードを停止し、光パワーモニタモードを再開する
（ステップＳ０８）。そのとき、ＣＰＵ４３は、特定したパッケージ内温度Ｔｍｏｎに対
応してＬＤ１８に供給する変調電流の初期値を設定し、Ｄ／Ａコンバータ４４を経由して
ＬＤ駆動回路４２に対する制御信号を送出する。このようにして、ＣＰＵ４３は、ＡＰＣ
制御を回復させる。また、ＣＰＵ４３は、パッケージ内温度Ｔｍｏｎに対応して受信用Ａ
ＰＤ２０に印加するバイアス電圧を設定し、Ｄ／Ａコンバータ４６を経由してバイアス生
成回路４８に対する制御信号を送出する。

以上説明した光送受信器１によれば、ＬＤ１８の光信号をＣＡＮパッケージ１０の内部
でモニタする送信光モニタ用ＰＤ１２に対して定電流を供給して、その送信光モニタ用Ｐ
Ｄ１２における電圧降下を検出することによりパッケージ内温度が検出され、そのパッケ
ージ内温度を基に、ＬＤ１８の駆動電流、及び受信用ＡＰＤ２０のバイアス電圧が制御さ
れる。

一般的にＡＰＤは、ＬＤほどではないにしても、温度による特性の変化が大きいデバイ
スである。図６は、ＡＰＤのバイアス電圧と出力電流との関係の一例を示すグラフである
。図６において、グラフＧ_Ａは素子温度が或る温度Ｔ_Ｍである場合のグラフであり、グラ
フＧ_Ｂは素子温度がＴ_Ｌ（＜Ｔ_Ｍ）である場合のグラフであり、グラフＧ_Ｃは素子温度が
Ｔ_Ｈ（＞Ｔ_Ｍ）である場合のグラフである。また、図６に示されるＡＰＤからの出力電流
がＩｏ以下の領域は、所謂ＰＤ領域であり、キャリア増倍特性を示さない。これに対し、
ＡＰＤからの出力電流がＩｏより大きい領域、すなわちバイアス電圧がＶｓ以上である領
域は、一の入射フォトンに対し複数のキャリアを生成するＡＰＤ領域に相当する。

図６に示すように、ＡＰＤ領域におけるキャリア増倍率（グラフの傾き）は、素子温度
によって大きく変化する。すなわち、素子温度が低いほど増倍係数が大きく、素子温度が
高いほど増倍係数が小さい。従って、ＡＤＰを用いる際には、その動作温度に留意しなけ
ればならない。ＡＰＤに入射する光信号がＨ／Ｌのみのデジタル信号であっても、高温時
の増倍係数を基本としてそのバイアス電圧を設定した場合には、低温時に過バイアス条件
となり大きな光電流を生成してしまうからである。ＡＰＤは自身の生成する光電流により
自己破壊を生ずる場合もあり、素子温度に対して適切なバイアス条件を設定しなければな
らない。

特に、光送受信器１のような双方向光通信デバイスにおいては、送信デバイスであるＬ
Ｄ、及び受信デバイスであるＡＰＤの温度特性の変動が大きいにもかかわらず動作温度範
囲が広いことを要求される。従って、温度をパラメータとしてＬＤの発光及びＡＰＤの増
倍率を制御するか、もしくはペルチェなどの温度制御素子をパッケージ内に追加してＬＤ
及びＡＰＤの温度を一定にする必要がある。どちらの方式を採るにしても、ＬＤ及びＡＰ
Ｄの温度をモニタする必要がある。従来の光送信モジュール（ＴＯＳＡ：Transmitter Op
tical Sub-Assembly）において、前者の場合には、制御回路基板上にサーミスタなどの温
度測定素子を配置して、擬似的にパッケージ内のＬＤ及びＡＰＤの温度を測定していた。
また、後者の場合には、温度制御素子上に温度測定素子を配置して、パッケージ内のＬＤ
温度を直接モニタしていた。

しかし、一つのＣＡＮパッケージの内部に送信ユニットと受信ユニットが搭載される光
送受信器１のような双方向光通信デバイスの場合、ＬＤの駆動状態や受信用ＡＰＤの受光
光量に応じてその発熱量が互いに異なるので、ＬＤ及び受信用ＡＰＤの温度特性を同時に
補償するのは容易ではない。また、ＣＡＮパッケージ内部の素子搭載空間は限られている
ため、その内部に温度測定素子（サーミスタ等）を配置すること自体がそもそも容易では
なく、また、たとえ温度測定素子を配置できたとしても、温度測定素子から出力される信
号を取り出すためのリードピン本数が増加し、限られたＳＦＰ（Small Form-factor Plug
gable）筐体内でＣＡＮパッケージ径を大きくする要因となる。

ＣＡＮパッケージのリードピン本数について更に説明すると、送信ユニット側では、Ｌ
Ｄ駆動信号用のリードピン２本（アノード／カソードそれぞれに対する入力）、グランド
配線用のリードピン１本、並びに送信光モニタ用ＰＤからの出力信号用のリードピン２本
（アノード／カソードそれぞれに対して）が基本的に必要である。これらのうち、ＬＤ駆
動信号用の１本、送信光モニタ用ＰＤからの出力信号用の１本、およびグランド配線用の
１本を共通にするのが一般的である。すなわち、ＬＤは順バイアスで、送信光モニタ用Ｐ
Ｄは逆バイアスでそれぞれ用い、ＬＤのアノードと送信光モニタ用ＰＤのカソードを共に
グランド配線用リードピンに接続する。この場合、ＬＤのカソード用、送信光モニタ用Ｐ
Ｄのアノード用、およびグランド配線用の３本のリードピンが少なくとも必要となる。し
かも、これはＬＤおよび送信光モニタ用ＰＤを通常の接続で用いる場合の例であり、本実
施形態のように、ＬＤを差動信号で駆動する場合には、ＬＤのカソードについても独立し
てリードピンを配分しなければならない。さらに、送信光モニタ用ＰＤによるモニタ系統
とＬＤの駆動系統とを分離して、微小なモニタ信号を制度良く処理する用途にあっては、
送信光モニタ用ＰＤのカソードについても独立したリードピンが必要となり、計５本のリ
ードピンを確保する必要がある。

また、受信ユニット側では、受信用ＡＰＤにバイアス電圧を供給するための１本と、受
信用ＡＰＤで生成された光電流を電圧信号に変換し、これを増幅して出力するプリアンプ
のための少なくとも３本（電源用、出力信号用、及びグランド配線用）のリードピンが必
要である。また、近年、受信する信号の速度がギガヘルツ帯に及ぶに至り、そのような高
速信号を伝送するためには相補的な信号形態を採用するのが一般的である。その場合、プ
リアンプからの出力信号用として２本のリードピンが必要である。従って、受信ユニット
側では計５本のリードピンが必要となる。すなわち、双方向光通信デバイスでは、一つの
ＣＡＮパッケージに、送信ユニット側に少なくとも３本、受信ユニット側に少なくとも５
本の計８本のリードピンが必要となる。従って、さらに温度測定素子の信号出力用の２本
（一方をグランド接続用と共用できる場合には１本）のリードピンを確保できる余地は残
されていない。

また、図２に示すＣＡＮパッケージ１０の内部構造から容易に理解されるように、送信
ユニット、受信ユニットの双方をステムの主面上に搭載するＣＡＮパッケージ型送受信モ
ジュールにおいては、温度測定素子としてサーミスタを搭載する余地を確保することは、
ほぼ不可能といえる。

このような状況において、本実施形態によれば、ＬＤ１８の光モニタに基づいたＡＰＣ
制御を行い、且つ受信用ＡＰＤ２０のバイアス電圧を制御する場合でも、パッケージ内温
度を検出するためのリードピンや温度測定素子をＣＡＮパッケージ１０内に新たに準備す
る必要が無いので、小型化、高集積化を図りつつ、ＬＤ１８近傍の温度を基にしたＬＤ１
８の発光制御、及び受信用ＡＰＤ２０の増倍率制御が実現される。すなわち、温度をパラ
メータとしてＬＤ１８の発光を制御する方式の場合でも、従来のＬＤと光モニタ用ＰＤと
を含んで構成されるＴＯＳＡの内部構成を変更せずに、ＬＤ１８直近の温度を測定するこ
とができる。また、ＬＤ１８直近での温度測定により、従来の制御回路基板上に温度モニ
タを配置する場合よりも熱の伝達時間の影響を受けずに温度測定ができるため、ＬＤ１８
の動作条件の設定が精度良く行われる。また、受信用ＡＰＤ２０に対するバイアス電圧の
制御についても、受信用ＡＰＤ２０がＬＤ１８から受ける熱の影響を受信用ＡＰＤ２０の
直近でモニタできるので、精度良くキャリア増倍係数を維持することができる。

また、本実施形態では、グランド配線を送信側グランド配線１３と受信側グランド配線
１５とに分離している。その理由について、以下に説明する。

送信ユニットと受信ユニットを一つのＣＡＮパッケージ１０に搭載する光送受信器１で
は、両ユニット間の光クロストークと電気クロストークの双方が問題となる。これらのう
ち、光クロストークに関しては、ＬＤ１８から発した送信光の一部が迷光となって受信用
ＡＰＤ２０に結合する現象、及び、光ファイバから出射された受信光の一部がＬＤ１８に
入射して光雑音源となる現象が問題となる。後者については、受信光の波長を送信光の波
長よりも長く設定することで抑制することが可能である。しかし、前者については、ＣＡ
Ｎパッケージ１０の内部で迷光対策を施さない限り、抑制することは難しい。

一方、電気クロストークに関しては、ＬＤ１８を駆動するには比較的大きな電流（例え
ば数十ミリアンペア）を高速でスイッチングする必要があるのに対し、受信用ＡＰＤ２０
で変換された信号は極めて微小であり（振幅として例えば数ミリボルト）、この微小な信
号が送信ユニット側の駆動電流の影響を容易に受けてしまう。駆動電流による影響として
は、電流をスイッチングすることで変動磁界が生成されこの磁界が受信ユニット側に影響
を与える現象（ＥＭＩクロストーク）と、大きな電流がグランド配線に流れ込むことで接
地電位が揺らぎ、この揺らぎが受信ユニット側の信号にグランド配線を介して影響を与え
る現象（同相雑音）とが考えられる。ＥＭＩクロストークを抑えるためには、送信ユニッ
トと受信ユニットとの間を電気的にシールドするとよい。また、同相雑音を抑えるために
は、本実施形態のように、送信側グランド配線と受信側グランド配線とを互いに分離する
ことが効果的である。

すなわち、図１に示した回路図において、送信光モニタ用ＰＤ１２のカソード側にスイ
ッチＳＷ_２を介して接続される送信側グランド配線１３は、直接ＣＡＮパッケージ１０に
接続される。なお、ＣＡＮパッケージ１０は導電性材料で形成されるのが一般的であり、
少なくともステム１０ａとキャップ１０ｂは導電性材料で形成される場合が殆どである。
一方、送信光モニタ用ＰＤ１２のアノード側にスイッチＳＷ_１を介して接続される送信側
グランド配線１３は、ステム１０ａとは絶縁されているリードピンを介して光送受信モジ
ュール２の外部に引き出されている。また、受信ユニットのプリアンプ２２のＧＮＤ端子
も、このリードピンに接続されてもよい。

なお、光送受信器１が搭載される光トランシーバ等のＯＥ機器内では、受信側グランド
配線１５と送信側グランド配線１３とは互いに隔離（アイソレート）されており、ＯＥ機
器が搭載されるホストシステム内で両グランド配線が電気的に接続される。ＯＥ機器内で
の電気的クロストークを抑制するためである。従って、送信光モニタ用ＰＤ１２を受信用
ＡＰＤ２０の温度を測定するためのセンサとして利用する動作モード（温度測定モード）
では、それまで送信側グランド配線１３を基準として動作していた送信光モニタ用ＰＤ１
２を、受信側グランド配線１５を基準として動作させることが好ましい。図１は、温度測
定モードでの状態を示している。定電流源５で生成された電流は、スイッチＳＷ_１を介し
て送信光モニタ用ＰＤ１２のアノードに提供される。送信光モニタ用ＰＤ１２のカソード
は、スイッチＳＷ_２を介して受信側グランド配線１５に接続されている。

一方、送信光モニタ用ＰＤ１２をＡＰＣ制御のために利用する動作モード（ＬＤ駆動モ
ード）では、スイッチＳＷ_１が、送信光モニタ用ＰＤ１２のアノードを、端子Ｔ_１３及び
抵抗Ｒ_１を介して送信側グランド配線１３に接続する。同時に、スイッチＳＷ_２は、送信
光モニタ用ＰＤ１２のカソードを、端子Ｔ_２２を介して送信用バイアス電圧ＶｃｃＴに接
続する。ＶｃｃＴ＞０であるので、送信光モニタ用ＰＤ１２は逆バイアスされる。この接
続によって、送信光モニタ用ＰＤ１２により生成された光電流により抵抗Ｒ_１の両端に発
生した電圧降下を、Ａ／Ｄコンバータ４５を介して測定することが可能となる。

なお、定電流源５は温度測定モード時のみ有効となるので、定電流源５の基準電位は、
全体として受信側グランド配線１５とされている。プリアンプ２２及びバイアス生成回路
４８については、受信用ＡＰＤ２０に接続される回路であるため、これらの基準電位は受
信側グランド配線１５とされている。一方、ＬＤ駆動回路４２の基準電位は送信側グラン
ド配線１３とされている。

また、Ａ／Ｄコンバータ４５、Ｄ／Ａコンバータ４４及び４６、ＣＰＵ４３等のデジタ
ル回路のグランド配線については、送信ユニットと受信ユニットの間のクロストークを問
題としない場合であっても、アナログ回路のグランド配線との間で十分な隔離措置が採ら
れることが一般的である。例えば、回路基板上の唯一箇所でのみアナログ系グランド配線
と接続される等である。本実施形態では、デジタル側グランド配線１７を送信側グランド
配線１３に一致させている。デジタル回路も大きな振幅（例えば数ボルト）の信号を取り
扱うことが一般的であるため、受信信号と比較して遥かに大きな振幅を有することから、
これを受信側グランド配線１５と一致させると、受信信号への影響が大きくなるからであ
る。

本実施形態による光送受信器１は、ＰＯＮ（Passive Optical Network）システムに使
用されることにより、有用性が更に増す。ＰＯＮシステムとは、主局（ＯＬＴ：OpticalL
ine Terminal）と複数の遠隔端末局（ＯＬＴ：Optical Line Terminal）とが光ファイバ
及びパッシブ分波器により結ばれたシステムである。主局から端末局への下り光信号（端
末局から見た受信光）は、端末局を区別することなく時分割多重によって一斉に送信され
る。各端末局は、自己のタイムスロットに対応するデータを選択することで、自局宛の情
報を得る。一方、各端末局から主局への上り信号（端末局から見た送信光）は、各端末局
が一斉に送信すると主局上で信号が重複してしまうので、各端末局に割り当てられたタイ
ムスロットにおいてのみ送信される。

各端末局の光送受信器１では、自局に割り当てられたタイムスロット以外の時間は送信
機能が停止状態にあるので、その間、送信光モニタ用ＰＤ１２を使用してのＬＤ１８に対
するＡＰＣ制御動作を休止させることができる。ここで、図７は、ＰＯＮシステムにおけ
る主局と端末局との間のデータ送受のタイミングの一例を示す図である。

図７に示すように、主局から送信されるグラント信号Ｇに同期して、各端末局は上りデ
ータ信号Ｄを主局に向けて送信する。なお、図７ではグラント信号が各端末局に個別に送
信されているように描かれているが、実際のグラント信号は主局から一斉に送信され、各
端末局で自局宛のグラント信号を見出し、このグラント信号に同期して上りデータ信号Ｄ
が送出される。また、図７では主局において上りデータ信号Ｄの受信とグラント信号Ｇの
送信とが時間的に重複しているが、これは主局の送信／受信がそれぞれ別個の光ファイバ
によりなされているか、もしくは、送信光の波長と受信光の波長とが互いに異なることに
より、送信及び受信が並行して行われているからである。図７を参照すると、各端末局で
は送信ユニットの休止期間が必ず確保されている。むしろ、送信ユニットが動作している
期間より休止期間の割合の方が大きいと言える。一般的に、この休止期間の長さとしてお
およそ５マイクロ秒程度は十分に確保される。

このように、ＰＯＮシステムでは、上り信号系において主局によって各端末局に光信号
の送信期間が間欠的に割り当てられる。この割り当てられた送信期間外ではＬＤ１８の発
光動作は停止されているので、ＣＰＵ４３は、その送信期間外に同期して間欠的に温度測
定モードに切り替えて、送信光モニタ用ＰＤ１２に定電流源５から定電流Ｉｔを供給する
ことが好適である。より具体的には、光送受信器１に割り当てられた送信期間が終了した
タイミングでＡＰＣ制御を停止させ、その送信期間が開始されたタイミングでＡＰＣ制御
を回復させることが好適である。

ＣＰＵ４３は、ＰＯＮシステムにより割り当てられた光信号の送信期間外に間欠的に定
電流を送信光モニタ用ＰＤ１２に供給するように制御するので、その割り当てられた期間
外に送信光モニタ用ＰＤ１２を温度測定モードで動作させることで効率的にパッケージ内
温度をモニタすることができる。このとき、送信期間外においても受信ユニットは常に動
作状態にある。すなわち、プリアンプ２２は常に動作状態にあるので、ＣＡＮパッケージ
１０内の温度がＬＤ１８の間欠動作にも係わらずほぼ一定に維持される。従って、この状
態で送信光モニタ用ＰＤ１２を定電流操作させて、その順方向電位から判定される温度を
ＣＡＮパッケージ１０内の環境温度と見なすことができる。

１…光送受信器、２…光送受信モジュール、３…集積回路、４…制御回路、５…定電流
源、１０…パッケージ、１０ａ…ステム、１０ｂ…キャップ、１２…送信光モニタ用ＰＤ
、１３…送信側グランド配線、１４…波長フィルタ、１５…受信側グランド配線、１８…
ＬＤ、２０…受信用ＡＰＤ、２２…プリアンプ、２６…レンズ、２８…ＬＤサブマウント
、３０，３０ａ-３０ｉ…リードピン、４２…ＬＤ駆動回路、４３…ＣＰＵ、４７…ＡＰ
Ｃ回路、４８…バイアス生成回路、ＳＷ_１，ＳＷ_２…スイッチ。

Claims

送信光を発する半導体レーザ、前記送信光のモニタ光を受光する送信光モニタ用フォト
ダイオード、及び受信光を受光する受信用アバランシェフォトダイオードを同軸型パッケ
ージに搭載する光送受信モジュールと、前記同軸型パッケージの外部に配置され、前記半
導体レーザの光出力を制御するとともに前記受信用アバランシェフォトダイオードへバイ
アス電圧を印加する制御回路とを備える光送受信器において、
前記同軸型パッケージの外部に配置された定電流回路を更に備え、
前記制御回路は、前記定電流回路が生成する定電流を前記送信光モニタ用フォトダイオ
ードに供給するとともに前記送信光モニタ用フォトダイオードにおける電圧降下を検出し
、該電圧降下に基づいて得られるパッケージ内温度を基にして、前記半導体レーザに供給
する駆動電流、および前記受信用アバランシェフォトダイオードに印加する前記バイアス
電圧を制御する、
ことを特徴とする光送受信器。
前記制御回路は、ＰＯＮシステムにより割り当てられた前記送信光の送信期間外に間欠
的に前記定電流を前記送信光モニタ用フォトダイオードに供給するように制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光送受信器。
前記制御回路は、
前記駆動電流を生成する駆動回路の基準電位となる送信側グランド配線と、
前記送信側グランド配線と分離されており、前記バイアス電圧を生成するバイアス生成
回路の基準電位となる受信側グランド配線と、
前記送信光モニタ用フォトダイオードのアノード側の接続先を、前記定電流回路及び送
信側グランド配線のうち何れかに切り替える第１のスイッチと、
前記送信光モニタ用フォトダイオードのカソード側の接続先を、送信用バイアス電源及
び受信側グランド配線のうち何れかに切り替える第２のスイッチとを有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信器。