JP2011166464A - 多チャンネル光送信モジュールとその構成方法、及び、多チャンネル光受信モジュールとその構成方法 - Google Patents

多チャンネル光送信モジュールとその構成方法、及び、多チャンネル光受信モジュールとその構成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】チャンネル間のクロストーク信号が効果的に除去された多チャンネル光モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明に係る多チャンネル光送信モジュールは、信号を伝送する第1のチャンネルと、前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、前記第1及び第2のチャンネル間に設けられたダミーチャンネルと、を備える。前記第1及び第2のチャンネルは、それぞれ、入力信号を増幅する増幅器と、前記増幅器から出力された信号に基づいて駆動信号を生成する変調回路と、前記駆動信号に基づいて駆動する発光素子と、を備え、前記ダミーチャンネルは、利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を備えるものである。
【選択図】図1A

Description

本発明は、光インターコネクションに用いる多チャンネル光送信モジュールとその構成方法、及び、多チャンネル光受信モジュールとその構成方法に関する。
インタ―ネットを介して送受信されるデータ容量の増大に伴い、高速光通信の需要が高まっている。また、高速光通信の多チャンネル化及びチャンネルあたりの伝送速度の向上、さらに、光モジュールの小型化も求められている。ここで、小型パッケージにおいて多チャンネル化及びチャンネルあたりの伝送速度の向上を進めていくと、クロストーク信号の問題が生じる。
特に高速化に伴い、光IC(Integrated Circuit)のチャンネル間においてクロストーク信号が問題になってくる。光ICに入力される信号の強度がチャンネル毎に異なり、互いに隣接するチャンネル間において、増幅器へ入力する信号の振幅強度差が大きい程、クロストーク信号が生じやすい。なぜなら、あるチャネルに隣接するチャンネルの信号が大きいと、隣接チャンネルの信号に起因するクロストーク信号も当該チャネルの主信号に対して相対的に大きくなる。また、振幅強度の大きい信号が増幅器へ入力された場合に比べ、振幅強度の小さい信号が増幅器へ入力された場合の方が、増幅器における増幅率が大きく、クロストーク信号は主信号に比べ増幅率が大きいからである。
送信光モジュールでは、ホストICから入力される差動電圧信号をLD(laser diode)ドライバで増幅し、光変調器(光源)を駆動(変調)する。一方、受信光モジュールでは、光伝送路を通過してきた光信号をPD(photo diode)で電流に変換し、トランスインピーダンスアンプ(TIA:Trans-Impedance Amplifier)で電圧信号に変換し、増幅する。多チャンネル光モジュールでは、これら構成要素がチャンネル毎に設けられ、同一平面上においてアレイ状に並べて配列される。例えば、特許文献1の図1には、このようなアレイ型の多チャンネル光モジュールが開示されている。
ここで、特許文献1の図3では、信号を増幅するプリアンプと並列に参照用アンプが配置されている。プリアンプと参照用アンプの信号は入力識別回路に送られて0と1に識別される。特許文献1では、参照用アンプにおいて、プリアンプと同相のクロストーク信号が増幅され、多チャンネルからのクロストーク信号を取り除くことができるとされている。
ところで、近年、信号伝送の高速化及び光モジュールの低コスト化に伴い、入力識別回路は光モジュール内には配置されず、光モジュールには電気の差動信号が入出力されるようになった。
特開2001−68947号公報
特許文献1に開示された光モジュールでは、プリアンプには信号が入力されるが、参照用アンプには信号が入力されない。信号の入力がある場合には信号が大きくなるにつれて増幅率が小さくなるが、信号入力がない場合には微小ノイズを最大の増幅率で増幅する。このため、クロストーク信号の増幅率が異なり、クロストーク信号が除去しきれなかった。さらに、多チャンネルのモジュールでは、各チャンネルの信号線路において異なる信号が伝送される場合、クロストーク信号の影響は他信号線路からの距離に依存する。そのため、高密度アレイ状に実装されたモジュールでは、プリアンプと参照アンプとが並列接続されていても、プリアンプと参照アンプとがそれぞれ異なるもう一つの最近接チャンネルの影響を受け、異なるクロストーク信号を増幅するおそれがあった。
また、差動信号を用いた場合であっても、差動信号線路のそれぞれに同相のクロストーク信号が均等に乗るわけではない。すなわち、差動信号線路のそれぞれが異なる最近接の他信号線路の影響を受け、クロストーク信号を十分に除去することができなかった。
本発明はこのような背景のもとに行われたものであり、本発明の目的は、チャンネル間のクロストーク信号が効果的に除去された多チャンネル光モジュールを提供することである。
本発明に係る多チャンネル光送信モジュールは、
信号を伝送する第1のチャンネルと、
前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、
前記第1及び第2のチャンネル間に設けられたダミーチャンネルと、を備え、
前記第1及び第2のチャンネルは、それぞれ、
入力信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器から出力された信号に基づいて駆動信号を生成する変調回路と、
前記駆動信号に基づいて駆動する発光素子と、を備え、
前記ダミーチャンネルは、
利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を備えるものである。
本発明に係る多チャンネル光受信モジュールは、
信号を伝送する第1のチャンネルと、
前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、
前記第1及び第2のチャンネル間に設けられたダミーチャンネルと、を備え、
前記第1及び第2のチャンネルは、それぞれ、
受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、
前記電気信号を増幅する増幅器と、を備え、
前記ダミーチャンネルは、
利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を備えるものである。
本発明に係る多チャンネル光送信モジュールの構成方法は、
信号を伝送する第1のチャンネルと、前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、の間にダミーチャンネルを設け、
前記第1及び第2のチャンネルに、それぞれ、入力信号を増幅する増幅器と、前記増幅器から出力された信号に基づいて駆動信号を生成する変調回路と、前記駆動信号に基づいて駆動する発光素子と、を設け、
前記ダミーチャンネルに、利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を設けるものである。
本発明に係る多チャンネル光受信モジュールの構成方法は、
信号を伝送する第1のチャンネルと、前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、の間にダミーチャンネルを設け、
前記第1及び第2のチャンネルに、それぞれ、受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号を増幅する増幅器と、を設け、
前記ダミーチャンネルに、利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を設けるものである。
本発明によれば、他チャンネルからのクロストーク信号が効果的に除去された多チャンネル光モジュールを提供することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る光送信モジュールの回路構成図である。 本発明の第1の実施の形態に係る光受信モジュールの回路構成図である。 増幅器の入出力特性(一様増加)を示すグラフである。 増幅器の入出力特性(一様減少)を示すグラフである。 本発明の第1の実施の形態に係る光送信モジュールの変形例を示す回路構成図である。 比較例における増幅器の入力信号Vinに対して出力信号Voutが一様増加する場合のクロストーク信号の影響を示すグラフである。 実施例1における増幅器の入力信号Vinに対して出力信号Voutが一様増加する場合のクロストーク信号の影響を示すグラフである。 比較例における増幅器の入力信号Vinに対して出力信号Voutが一様減少する場合のクロストーク信号の影響を示すグラフである。 実施例2における増幅器の入力信号Vinに対して出力信号Voutが一様減少する場合のクロストーク信号の影響を示すグラフである。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
(第1の実施の形態)
図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係るアレイ型の光送信モジュールの回路構成図である。また、図1Bは、本発明の第1の実施の形態に係るアレイ型の光受信モジュールの回路構成図である。
図1Aに示すように、本実施形態に係る光送信モジュールは、ドライバIC101とこれにより駆動される複数の半導体レーザ105を備えている。ここで、ドライバIC101は、複数の主信号用チャンネル1、2、・・・と、主信号用チャンネル間に配置されたダミーチャンネル1、2、・・・を備えている。一般化すると、n(nは自然数)個のチャンネルに対し(n−1)個のダミーチャンネルが設けられる。主信号用の各チャンネルの信号線路は、増幅器102、変調回路103、バイアス回路104を備えている。ここで、半導体レーザ105はチャンネル毎に1つずつ設けられている。また、各ダミーチャンネルの信号線路は、直列接続された複数段の増幅器106a、106b、106cと終端抵抗107を備えている。ダミーチャネルには、まず初段の増幅器106aの出力を飽和させる信号が入力される。次に、増幅器106aの出力信号は、次段の増幅器106bの入力信号であって、この増幅器106bの出力を飽和させる。以下、全ての後段の増幅器は、順次飽和した信号を出力する。
各チャンネルでは、増幅器102に差動信号が入力され、変調回路103に対し、信号を出力する。この信号に応じて、変調回路103は半導体レーザ105を駆動するための変調信号を生成する。バイアス回路104により、この変調信号に適切なバイアスが付与され、その信号に応じて半導体レーザ105が駆動し、光信号を送信する。
ダミーチャンネルの終端抵抗107は増幅器106a、106b、106cへの電気反射を抑制するものである。ドライバIC101の内部に配置しても外部に配置してもよい。発熱が大きければ、ドライバIC101の外部に配置することでドライバIC101内の発熱を抑えることができる。図1Aでは、ダミーチャンネルの増幅器106a〜106cの段数は3であるが、これに限定される訳でなく、主信号用チャンネルの伝送経路の長さに応じて適宜決定される。即ち、主信号用チャンネルの伝送経路の長さが長ければ、段数を増やせばよい。
一方、図1Bに示すように、本実施形態に係る光受信モジュールは、フォトディテクタ108とレシーバIC114とを備えている。ここで、レシーバIC114は、ドライバIC101に対応した複数の主信号用チャンネル1、2、・・・と、主信号用チャンネル間に配置されたダミーチャンネル1、2、・・・を備えている。ここで、フォトディテクタ108はチャンネル毎に1つずつ設けられている。主信号用の各チャンネルの信号線路は、トランスインピーダンスアンプ(TIA:Trans-Impedance Amplifier)109、出力振幅を固定するための2つのリミッタアンプ110a、110b及び出力バッファ111を備えている。ここで、リミッタアンプの段数は2に限定される訳でなく、適宜決定される。また、各ダミーチャンネルの信号線路は、直列接続された複数段の増幅器112a、112b、112c、112dと終端抵抗113を備えている。ダミーチャネルには、まず初段の増幅器112aの出力を飽和させる信号が入力される。次に、増幅器112aの出力信号は、次段の増幅器112bの入力信号であって、この増幅器112bの出力を飽和させる。以下、全ての後段の増幅器は、順次飽和した信号を出力する。
各チャンネルでは、フォトディテクタ108が受信した光信号を電流に変換する。TIA109は、この電流を電圧に変換して増幅する。さらに、リミッタアンプ110a、110bにより増幅された差動信号が、出力バッファ111を介して出力される。
ここで、リミッタアンプ110a、110bに代えて、AGC(オートゲインコントロール)回路を用いてもよい。また、ダミーチャンネルの初段の増幅器112aを主信号用チャンネルと同じトランスインピーダンスアンプで構成する場合、電圧信号に代わり電流信号が入力される。主信号の伝送経路が差動伝送である場合、ダミーチャンネルはシングルエンド伝送でも差動伝送でもよい。ダミーチャンネルの終端抵抗113は増幅器112a、112b、112c、112dへの電気反射を抑制するものである。IC内部にあっても外部にあってもよい。発熱の問題が大きい場合にはIC外部に配置することでIC内の発熱を抑えることができる。図1Bでは、ダミーチャンネルの増幅器の段数は4であるが、これに限定される訳でなく、主信号用チャンネルの伝送経路の長さに応じて適宜決定される。即ち、主信号用チャンネルの伝送経路の長さが長ければ、段数を増やせばよい。
図2A、図2Bに示すように、増幅器の入出力特性は大きく二つにわけることができる。一つは、図2Aに示すように、入力信号に対して出力信号が一様増加する場合(以下、一様増加特性と称す)であり、もう一つは、図2Bに示すように、入力信号に対して出力信号が一様減少する場合(以下、一様減少特性と称す)である。いずれも入力が大きくなると出力が飽和する傾向にある。本発明では、主信号の伝送経路にある増幅器102、TIA109、リミッタアンプ110a、110bでは飽和していない領域を利用する。一方、ダミーチャンネルの増幅器106a〜106c、112a〜112dでは飽和領域を利用する。
望ましくはダミーチャンネルの複数段の増幅器は、入力信号に対して出力信号が一様増加するものとし、それぞれ前段からの入力信号により利得が飽和するように設定される。最終段の増幅器は、後段に増幅器が無いため、一様減少特性を有していてもよい。これにより、終端抵抗での電流消費を低減することができる。ただし、一様減少特性を有している場合であっても、最終段の増幅器自体の出力は飽和している。
図3は、初段の増幅器106aが一様減少特性を有する場合である。増幅器106aの出力には終端抵抗107aが接続されている。このように、ダミーチャンネルの複数段の増幅器の中に一様減少特性を有するものを含む場合、図3のように、一様増加特性を有する増幅器に、別の電圧信号もしくは電流信号を入力してもよい。図3では、一様減少特性を有する初段の増幅器106aへの入力と、一様増加特性を有する後段の増幅器106b、106cへの入力とを別系統としている。
いずれの場合においても、主信号用チャンネルからのクロストーク信号がダミーチャンネルに乗るが、ダミーチャンネルの信号が飽和しているため、出力信号が固定される。クロストーク信号は、周波数が高くなるほど大きくなるので、信号が固定されることにより隣接する主信号用チャンネルへのクロストーク信号は抑制される。
本実施の形態では光送信モジュールに半導体レーザ105を用いたが、DC光源を別途設け、上記半導体レーザ105を変調器で置き換えた構成でもよい。
以下に、図1A、1Bを用いてより具体的な実施例について説明する。図1Aに示すように、光送信モジュールのダミーチャンネルには、複数段の増幅器106a、106b、106cが直列に接続されている。また、図1Bに示すように、光受信モジュールのダミーチャンネルには、複数段の増幅器112a、112b、112c、112dが直列に接続されている。ダミーチャンネルの複数段の増幅器は入力信号に対して出力信号が一様増加するものとし、かつ、それぞれ前段からの入力信号により出力信号が飽和するように設定した。
図4A、4Bを用いて、本発明の効果を説明する。図4A、4Bは、いずれも増幅器の入力信号Vinに対して出力信号Voutが一様増加する場合(増幅器が一様増加特性を有する場合)のクロストーク信号の影響を示す。横軸が入力信号Vinの波形、縦軸がその出力信号Voutの波形を示している。図4Aは、比較例のクロストーク信号の影響を表している。図4Bは、本実施例1のクロストーク信号の影響を表している。
図4Aに示した比較例から、ダミーチャンネルを設けない場合のクロストーク信号の影響を知ることができる。チャンネル1への入力信号401は単純に増幅された出力信号403となる。チャンネル1からチャンネル2へのクロストーク信号402もチャンネル2の信号に重畳され単純に増幅された出力信号404となる。
一方、図4Bに示す実施例では、ダミーチャンネルの伝送信号は、各増幅器により常に飽和している。そのため、この飽和した伝送信号に他チャンネルからのクロストーク信号が重畳しても、飽和した出力レベルに変化がなく、振幅が抑制された信号となる。具体的には、チャンネル1への入力信号405は単純に増幅された出力信号407となる。他方、チャンネル1からのクロストーク信号406は、ダミーチャンネル1への入力信号に重畳する。ここで、ダミーチャンネル1への入力信号が飽和領域であるため、この入力信号にクロストーク信号406が重畳した信号も飽和領域にある。そのため、その出力信号408は振幅が抑制された信号となる。ダミーチャンネル1からチャンネル2へのクロストーク信号は、比較例と同じくチャンネル2で増幅される。しかしながら、ダミーチャンネル1で既にその振幅が抑えられているため、比較例に比べてクロストーク信号を抑えることができる。
チャンネル2からダミーチャンネル1を介してチャンネル1へのクロストーク信号も同様の理由から抑えることができる。即ち、全チャンネルについて、チャンネル間に設けられた本発明に係るダミーチャンネルにより、相互のクロストーク信号を抑制することができる。このように、本発明の実施の形態では、ダミーチャンネルの増幅器で隣接チャンネルからのクロストーク信号を飽和させることで、さらにその隣にある主信号用チャンネルへのクロストーク信号を低減した。
本実施例では主信号用チャンネルとダミーチャンネルの信号応答を同じ入出力応答カーブ上で説明したが、ダミーチャンネルの増幅器の信号飽和点409は主信号チャンネルの信号飽和点よりも低くてもよい。増幅器が複数段直列接続される場合、前段の出力が後段の増幅器の信号飽和点よりも高くなるように設定する。
上述の通り、図3は、ダミーチャンネルの複数段の増幅器の中に一様減少特性を有するものを含む場合である。初段の増幅器106aが一様減少特性を有し、2段目の増幅器106b、106cは実施例1と同じように一様増加特性を有する場合を示している。ここでも、最終段の増幅器106cは一様減少特性を有していてもよい。
ここで、ダミーチャンネルの初段の増幅器106aの特性について説明する。図5A、5Bは、いずれも増幅器の入力信号Vinに対して出力信号Voutが一様減少する場合のクロストーク信号の影響を示す。図5Aは、比較例のクロストーク信号の影響を表している。図5Bは、本実施例2のクロストーク信号の影響を表している。
図5Aに示した比較例では、チャンネル1への入力信号501は単純に増幅された出力信号503となる。チャンネル1からチャンネル2へのクロストーク信号502もチャンネル2の信号に重畳され単純に増幅された出力信号504となる。
一方、図5Bに示す実施例では、ダミーチャンネルの信号が伝送信号とは異なる信号によりすでに増幅され飽和している。例えば、チャンネル1への入力信号505は単純に増幅された出力信号507となる。他方、チャンネル1からのクロストーク信号506は、ダミーチャンネル1への入力信号に重畳する。ここで、ダミーチャンネル1への入力信号が飽和領域であるため、この入力信号にクロストーク信号506が重畳した信号も飽和領域にある。そのため、その出力信号508は振幅が抑制された信号となる。ダミーチャンネル1からチャンネル2へのクロストーク信号は比較例と同じくチャンネル2で増幅される。しかしながら、ダミーチャンネル1で既にその振幅が抑えられているため、比較例に比べてクロストーク信号を抑えることができる。
チャンネル間隔を広げることでクロストーク信号の影響を弱めることは可能だが、チャンネル間隔を広げると光モジュールのサイズが大きくなる。本発明の実施形態では、伝送信号の周波数が高くなっても光モジュールのサイズを一定に保ったまま、クロストーク信号を抑制できる。本発明によりチャンネルあたり20Gbps以上の伝送速度においてクロストーク信号を抑制した小型の多チャンネル光モジュールが実現できた。
なお、特許文献1ではダミーの増幅器を受信モジュールに用いているが、本願と異なり増幅器に対して容量素子を接続している。また、特許文献1の図10にあるように、プリアンプと参照アンプの特性を近づけることを重視している。一方、本発明では、主信号用チャンネルの増幅器の入出力信号は非飽和レベルで扱われるのに対し、ダミーチャンネル用増幅器の入出力信号は飽和レベルで扱われる。即ち、主信号用チャンネルの増幅器とダミーチャンネルの増幅器の特性は近くない。また、特許文献1では受信モジュールのクロストーク信号の抑制を行ったが、本発明では受信モジュールだけではなく、送信モジュールのクロストーク信号も抑制可能である。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
101 光送信モジュール
102 増幅器
103 変調回路
104 バイアス回路
105 半導体レーザ
106a〜106c 増幅器
107、107a、107b 終端抵抗
108 フォトディテクタ
110a、110b リミッタアンプ
111 出力バッファ
112a〜112d 増幅器
113 終端抵抗
101 ドライバIC
114 レシーバIC

Claims (10)

  1. 信号を伝送する第1のチャンネルと、
    前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、
    前記第1及び第2のチャンネル間に設けられたダミーチャンネルと、を備え、
    前記第1及び第2のチャンネルは、それぞれ、
    入力信号を増幅する増幅器と、
    前記増幅器から出力された信号に基づいて駆動信号を生成する変調回路と、
    前記駆動信号に基づいて駆動する発光素子と、を備え、
    前記ダミーチャンネルは、
    利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を備える多チャンネル光送信モジュール。
  2. 直列接続された複数の前記ダミーチャンネル用増幅器を備えることを特徴とする請求項1に記載の多チャンネル光送信モジュール。
  3. 前記第1及び第2のチャンネルに入力される前記入力信号が差動信号であることを特徴とする請求項1又は2に記載の多チャンネル光送信モジュール。
  4. 前記第1及び第2のチャンネルの伝送速度が20Gbps以上あることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の多チャンネル光送信モジュール。
  5. 信号を伝送する第1のチャンネルと、
    前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、
    前記第1及び第2のチャンネル間に設けられたダミーチャンネルと、を備え、
    前記第1及び第2のチャンネルは、それぞれ、
    受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、
    前記電気信号を増幅する増幅器と、を備え、
    前記ダミーチャンネルは、
    利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を備える多チャンネル光受信モジュール。
  6. 直列接続された複数の前記ダミーチャンネル用増幅器を備えることを特徴とする請求項5に記載の多チャンネル光受信モジュール。
  7. 前記第1及び第2のチャンネルから出力される出力信号が差動信号であることを特徴とする請求項5又は6に記載の多チャンネル光受信モジュール。
  8. 前記第1及び第2のチャンネルの伝送速度が20Gbps以上あることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の多チャンネル光受信モジュール。
  9. 信号を伝送する第1のチャンネルと、前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、の間にダミーチャンネルを設け、
    前記第1及び第2のチャンネルに、それぞれ、入力信号を増幅する増幅器と、前記増幅器から出力された信号に基づいて駆動信号を生成する変調回路と、前記駆動信号に基づいて駆動する発光素子と、を設け、
    前記ダミーチャンネルに、利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を設ける多チャンネル光送信モジュールの構成方法。
  10. 信号を伝送する第1のチャンネルと、前記第1のチャンネルと異なる信号を伝送する第2のチャンネルと、の間にダミーチャンネルを設け、
    前記第1及び第2のチャンネルに、それぞれ、受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号を増幅する増幅器と、を設け、
    前記ダミーチャンネルに、利得が飽和した出力信号を出力するダミーチャンネル用増幅器を設ける多チャンネル光受信モジュールの構成方法。
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