JP2012244146A - 波長可変ldを搭載した光トランシーバ - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動信号の劣化を抑制する、波長可変LDを搭載した光トランシーバを提供する。
【解決手段】波長可変LDは、TOSA20(光送信サブアセンブリ)内に搭載されている。光トランシーバは、上下に配置された二つの回路基板12,13を備えている。TOSA20は、第2の基板13に主として接続されているが、波長可変LDを駆動する信号は、波長可変LD用の駆動回路12Aを搭載した第1の基板12に直接接続するFPC基板17,18で伝送される。
【選択図】図9
【解決手段】波長可変LDは、TOSA20(光送信サブアセンブリ)内に搭載されている。光トランシーバは、上下に配置された二つの回路基板12,13を備えている。TOSA20は、第2の基板13に主として接続されているが、波長可変LDを駆動する信号は、波長可変LD用の駆動回路12Aを搭載した第1の基板12に直接接続するFPC基板17,18で伝送される。
【選択図】図9
Description
本発明は、光トランシーバに関するものであり、特に、光変調器を集積化した波長可変レーザダイオード(以下、レーザダイオードを「LD」といい、光変調器を集積化した波長可変LDを「iTLD」という。)を搭載した光トランシーバに関するものである。
下記特許文献1及び特許文献2には、二つの回路基板を搭載した光トランシーバが記載されている。これら二つの回路基板は、ハウジング内で上下に配置されており、フレキシブルプリント回路(以下、「FPC」という)基板により互いに電気的に接続されている。これら光トランシーバは、二つの回路基板のうち一方に電気的に結合された二つの光サブアセンブリ(以下、「OSA」という)を搭載している。
TOSAには、LDを変調するための高周波の駆動信号(又は変調信号)が回路基板から供給される。本技術分野においては、この駆動信号の劣化を抑制することが望まれている。
本発明の一側面は、光トランシーバに関するものである。この光トランシーバは、光送信サブアセンブリ(以下、「TOSA」という)、第1の回路基板、第2の回路基板、第1のFPC、及び第2のFPCを備えている。TOSAは、波長可変LD及び光変調器を搭載しており、例えば10GHzより高い高周波成分を含む駆動信号によって駆動される。第1の回路基板は、光変調器を駆動する駆動信号を発生する駆動回路を搭載している。第2の回路基板は、波長可変LDの発振波長を制御するための複数のバイアスを提供するバイアス回路を搭載している。第1のFPC基板は、第1の回路基板と第2の回路基板とを電気的に接続する。第2のFPC基板は、TOSAを第1の回路基板に直接的に接続する。光トランシーバが二つのFPC基板及び二つの回路基板を有し、駆動信号が第1のFPC基板及び第2の回路基板を通ることなく、第1の回路基板からTOSAに直接的に提供される構成により、駆動信号の劣化が抑制され得る。
前述した目的及び他の目的、側面、及び利点は、添付の図面を参照した本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明から更に理解される。
図1は、一実施形態の光トランシーバの外観を示している。図1に示す光トランシーバ1はハウジング11を備えている。このハウジング11は、MSA(Multi Source Agreement)、即ちXFP規格に準拠しており、金属製である。金属製のハウジング11内には、光部品及び電子部品、例えば、光送信サブアセンブリ(TOSA)、光受信サブアセンブリ(ROSA)、及び、これらOSAに電気的に接続され回路基板上に搭載される電気回路が、収納されている。ハウジング11の前側部分には光レセプタクル11aが設けられている。この光レセプタクル11aには外部光コネクタが挿入される。光レセプタクル11aに外部光コネクタを挿入すると、光コネクタの端部に付属するフェルールが光レセプタクル11a内に突き出したOSAのスリーブに係合し、光コネクタの光ファイバがOSA内の光デバイスと光学的に結合することができる。光レセプタクル11aの側面には、U字形状のベール11cが取り付けられている。ベール11cを光レセプタクルの前方を横切るように回転させると、ベール11cを含む機構が、ホストシステムのケージに光トランシーバ1を係合させているラッチ11bを解除する。光レセプタクル11aと光コネクタが係合している状態では、ベール11cの回転が阻害されるので、光トラシーバ1をケージから取り外すことができない。
一方、光トランシーバ1の後部では、回路基板12の端部(後端)が露出されている。当該端部には電気プラグ12aが形成されている。電気プラグ12aは、ホストシステムに設けられている電気コネクタに結合して、光トランシーバ1とホストシステムとの間の通信を確立する。電気プラグ12aは複数の電極を有しており、これら電極のうち幾つかは、他の幾つかの電極とは異なる長さを有している。電気コネクタに電気プラグ12aを挿入すると、まず、他の電極よりも長い電源及び接地用の電極が導通し、次いで、信号用の短い電極が導通する。このように、電源がまず確立され、次いで信号の伝送が安定した状態で行われ得る。これにより、電気プラグ12aと電気コネクタとの結合に際して、ホストシステムの電源を遮断する手続きを省略することができる。このようにラッチ機構を備え、且つ、電源の遮断を省略する機能を有する光トランシーバは、ホットプラガブルトランシーバと呼ばれる。
図2は、ハウジング11の内部を示している。本実施形態の光トランシーバ1は、OSA 20及び30を備えており、これらOSA 20及び30は、角形の本体部20a及び30aをそれぞれ備えており、所謂バタフライ型モジュールである。本体部20a及び30aの前壁からは、スリーブ20b及び30bがそれぞれ延び出しており、当該スリーブ20b及び30bは、光レセプタクル11aのキャビティ11h内に突き出している。スリーブ20b及び30bは、キャビティ11h内において外部光コネクタのフェルールを受容し得る。回路基板12は、その後側部分において幅の狭いネック部12cを有している。また、回路基板12は、ネック部12cの後方に露出領域12bを有している。この露出領域12bには、電気プラグ12aが形成されている。ネック部12cは、ハウジング11の後壁11jに嵌め込まれて、電気プラグの電気コネクタに対する挿抜によって生じる応力を、当該応力がOSA 20及び30に影響しないように、吸収し得る。なお、光トランシーバの方向、即ち前方及び後方は、説明の便宜のためのものであり、本明細書では、光レセプタクル11aが設けられている側を「前」、電気プラグ12aが設けられている側を「後」と呼んでいる。
一実施形態の光トランシーバ1は、半導体光変調器を集積化した波長可変LDを備えている。以下の説明では、このデバイスを集積化波長可変LD(iTLD:Integrated Tunable LD)と称する。以下、iTLDについて、特にその構造及び駆動動作を詳細に説明する。
図3A及び図3Bはそれぞれ、一実施形態のiTDL 100の断面図及び平面図である。iTLD 100は、そのレーザ領域において、共通の半導体基板101上に、(a)半導体光増幅器(SOA)領域110、(b)SG−DFB(Sampled Grating Distributed FeedBack)領域120、(c)CSG−DBR(chirped Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)領域130、及び、光吸収(OA)領域140を含んでいる。
SOA領域110は、下クラッド層111、光増幅層112、上クラッド層113、コンタクト層114、及び、電極115を含み、これらは共通の基板101上に順に積層されている。SG−DFB領域120は、共通の基板101上に、下クラッド層111、活性層122A及び光導波層122B、上クラッド層113、コンタクト層124、並びに、iTLD 100の光導波方向に沿って交互に配置されたDFB電極125a及び調整電極125bを有している。図3A及び図3Bに示す実施形態では、3組のこれら電極が繰り返して配置されている。CSG−DBR領域130は、共通の基板101上に、下クラッド層111、光導波層132、上クラッド層113、絶縁膜138、及び複数のヒータ136a,136b,136cを有している。複数のヒータ136a,136b,136cは、光導波方向に沿って配置されており、ヒータ電極135a,135b,135cのうち対応のヒータ電極と接地電極139Gとの間に設けられている。接地電極139Gは、ヒータ電極135a,135b,135cに共通である。即ち、第1のヒータ電極135aと接地電極139Gの間には薄膜抵抗で構成された六つの第1のヒータ136aが、第2のヒータ電極135bと接地電極139Gとの間には同様に薄膜抵抗で構成された四つの第2のヒータ136bが、第3のヒータ電極135cと接地電極139Gの間には薄膜抵抗で構成された四つの第3のヒータ136cが、設けられている。OA領域140は、共通の基板101上に、下クラッド層111、光吸収層142、上クラッド層113、コンタクト層144、及び電極145を有している。
これら四つの領域110,120,130,140において、下クラッド層111及び上クラッド層113は共通である。また、光増幅層112の下面、活性層122A及び光導波層122Bの下面、光導波層132の下面、光吸収層142の下面はそれぞれ、即ち、下クラッド層111との境界面は、同一面上に形成されており、全領域において滑らかに連続している。
複数の回折格子102aが、SG−DFB領域120及びCSG−DBR領域130に形成されている。これら回折格子102aは、下クラッド層111と格子層102との間の波状の界面を含んでいる。図3Aは、回折格子を領域としてまとめて示しており、各領域は複数のコルゲーションを含んでいる。SG−DFB領域120及びCSG−DBR領域130は複数のセグメントを有している。ここで、各セグメントは、一つの格子102aと当該格子に隣接する、格子が形成されていないスペースとを含んでいる。図3A及び図3Bに示す本実施形態では、SG−DFB領域120は五つのセグメントを有しており、一方、CSG−DBR領域130は七つのセグメントを有している。回折格子は、下クラッド層111の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成されている。一例においては、下クラッド層111がInP製である場合に、回折格子102aはIn0.78Ga0.22As0.47P0.53製であり得る。
基板101は、例えば、InP製であってもよい。光導波層132は、例えば、基礎吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にあるInGaAsPから構成されていてもよい。例えば、光導波層132は、約1.3μmのバンドギャップ波長を有し得る。活性層122Aは、例えば、目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有するInGaAsPから構成されていてもよい。例えば、活性層122A及び光導波層122Bは、約1.57μmのバンドギャップ波長を有し得る。光増幅層112は、光を吸収又は増幅することによって出射光の強度を制御し得る。光増幅層112及びOA領域140の光吸収層142は、約1.57μmのバンドギャップ波長を有し得る。このバンドギャップ波長は、活性層のバンドギャップ波長と実質的に同一である。光増幅層112及び光吸収層142は、iTLD 100の発振波長に対して吸収特性を有する半導体材料から構成され得る。活性層122A、光増幅層112、及び光吸収層142は、量子井戸構造を有していてもよく、当該構造においては、厚さ5nmのGa0.47In0.53As製の井戸層と厚さ10nmのGa0.28In0.72As0.61P0.39製の障壁層が交互に積層される。光増幅層112及び光吸収層142はバルク半導体であってよく、例えば、Ga0.46In0.54As0.98P0.02から構成されていてもよい。なお、これらの層112及び142は、活性層122Aと同じ材料で構成されていてもよい。その場合には、活性層122A、光増幅層112、及び光吸収層142を同一工程で形成することができるので、iTLD 100の製造工程が簡素化される。共通基板101は、その裏面に電極105を有している。電極105は、四つの領域110,120,130,140の全てにわたって延在している。
次に、iTLD 100の発振波長の選択方法について説明する。
まず、調整電極125bが省略された構造について考える。以下、図4Aを参照する。DFB電極125aに所定の電流を注入すると、活性層122Aは、光を発生する。SG−DFB領域120は標本化格子を備えている。上述したように、標本化格子は、間隔DSで設けられた複数の格子領域を有しており、それぞれの格子領域には、波状界面が形成されている。図4Aは、格子領域Aと格子領域A間に設けられた別の領域Bとを示している。別の領域Bには波状界面は設けられていない。SG−DFB領域120で発生された光に対する当該領域の反射スペクトルは、図4Bに示すものとなる。間隔DIは、活性層122の屈折率、別の領域Bの屈折率、及び格子領域Aの間隔DSによって定められ得る。
一方、CSG−DBR領域130の反射スペクトルは、図4C1、図4C2、及び図4C3に示すものとなり得る。具体的には、CSG−DBR領域130も、格子領域と当該格子領域間のスペース領域とを含む複数のセグメントを有している。ここで、簡単のため、CSG−DBR領域が単一の領域を有し、当該領域に含まれている複数のセグメントが、同一の光学的長さを有する構成について説明する。この単一の領域は、SG−DFB領域120と同様に、複数の格子領域を有しているが、これら複数の格子領域は、間隔DSとは僅かに異なる所定の間隔DS’で設けられている。したがって、SG−DFB領域120がCSG−DBR領域の単一の領域と相互作用すると、SG−DFB領域120の反射スペクトルのピーク波長のうち一つと当該単一の領域の反射スペクトルのピーク波長のうち一つとが互いに一致する波長においてレーザ発振が生じる。単一の波長を選択するこのメカニズムはバーニア効果と呼ばれる。SG−DFB領域120の反射ピークとCSG−DBR領域の反射ピークとの間でピーク波長が一致しない場合には、領域に付属するヒータによって当該セグメントの光学的特性を変化させることが可能である。具体的には、ヒータは半導体材料の屈折率を変化させることができ、これによってCSG−DBR領域の反射ピークの間隔を変化させることができる。このように、バーニア効果により波長の一致を実現することができる。CSG−DBR領域130は、三つの領域130A,130B,130Cを有している。これら三つの領域のうち少なくとも一つの領域内のセグメントは、他の領域内のセグメントの光学的長さ(即ち、格子領域間の間隔)とは異なる光学的長さを有している。この構成は、チャープ標本化格子分布ブラッグ反射器と呼ばれている。
本実施形態のiTLD 100は、上述したバーニア効果によりその単一の波長を選択することができる。即ち、バーニア効果は、SG−DFB領域120が所定の波長領域でN個の反射ピークを想定し、CSG−DBR領域130が同波長領域においてN+1又はN−1個の反射ピークを想定し、レーザ発振が二つのピークが一致する波長において発生するものと説明することができる。このメカニズムによれば、所定の波長領域を拡大していくと、二種のピーク波長が一致する波長条件が複数生じることになる。二種のピーク波長は、上述した所定の波長領域の両端でも一致する。
したがって、本実施形態のiTLD 100は、CSG−DBR領域130に三つの領域を備えており、これら領域はそれぞれ、格子領域102a間の特定の間隔を有しており、当該間隔は他の領域における格子領域102a間の間隔とは僅かに異なっている。さらに、領域130A,130B,130Cはそれぞれ、ヒータ136a,136b,136cを備えている。iTLD 100は、その発振波長に対して支配的な影響を与える一つの領域を、領域130A,130B,130Cから、温度分布を調整することによって選択することができる。
図4C1に示すように、SG−DFB領域120に最も近い領域130Aの温度が最も高くなり、SG−DFB領域120から離れるに従い温度が低くなる温度分布を設定すると(図中の矢印のサイズは電流値、したがって温度の高さに対応している)、CSG−DBR領域130の反射率スペクトルの包絡線の値は、図4C1に示すように、比較的短波長の範囲において大きくなる。したがって、バーニア効果によって選択される複数の波長のうち比較的高い反射率をもつ波長範囲に存在する単一の波長に、発振波長が収束し得る。また、図4C1、図4C2、図4C3に示すように、領域130A,130B,130Cの温度分布を調整すると、反射率スペクトルの包絡線において反射率が大きくなる波長を調整することができる。さらに、領域130A,130B,130Cの平均温度をヒータで調整することにより、反射率スペクトルの包絡線が大きくなる波長範囲において一致する波長を選択することが可能となる。したがって、SG−DFB領域120とCSG−DBR領域130の組合せにより、発振波長を調整することが可能となる。CSG−DBR領域130の温度分布は、ヒータ136a,136b,136cに供給する電流を調整することによって容易に調整可能である。
更に図3を参照すると、SG−DFB領域120は、DFB領域120A間に調整領域120Bを有している。調整領域120Bは、活性層122Aに代えて光導波層122Bを有しており、また、調整電極125bを有している。調整電極125bにバイアス電圧又はバイアス電流を与えることにより、光導波層122Bの等価屈折率を変化させることができる。調整電極125bに与えられるバイアス電流/電圧を調整すると、バーニア効果とCSG−DBR領域130の温度によって大まかに選択される発振波長を、当該発振波長がITU−Tのグリッド波長に正確に一致するよう、微調することが可能である。
電極145,135a〜135c,125a,125b,115は、他のバイアスとは独立した対応のバイアスに接続されている。SG−DFB領域120の電極125aに電流を供給すると、活性層122Aは光を発生する。発生した光が層122A、122B、及び132を伝搬し、SG−DFB領域120とCSG−DBR領域130の間で繰り返し反射されることで、iTLD 100は調整された単一の波長をもつレーザ光を出射する。このレーザ光の一部は、SOA領域110で増幅され、外部に出力される。OA領域140の光吸収層142は、CSG−DBR領域130から漏れる光を吸収することができる。電極115から注入される電流によってSOA領域110の光学利得を調整することができるので、SOA領域110から出力される光の一部をモニタして、従来のLDの制御に使用されている自動パワー制御(APC)により、モニタ結果を注入電流にフィードバックすることで、iTLD 100から出力される光のパワーを維持することができる。
iTLD 100は、TEC上に搭載されており、TECの温度は実質的に一定に維持されている。半導体材料の物理的特性、特に、その反射率及びバンドギャップエネルギーは温度に依存する。発振波長が上述したようにバーニア効果により決定される場合でも、デバイスの温度の変動により発振波長はシフトすることがある。このため、iTLD 100は、その温度が実質的に一定に保たれる条件で動作することが好ましい。
このように波長が決定された光は、フロント側端面、即ち、SOA領域の端面から外部に出力される。一方、OA領域140に入射した光は、当該OA領域において吸収される。リア側端面に到達した光の残部は、当該リア側端面が10%以上の高反射率を有するので、OA領域140に反射され、再度、OA領域140で吸収される。これにより、リア側端面から漏れる光を実質的にゼロ又は無視できる程度に小さくすることができる。本実施形態のiTLD 100は、リア側端面から出射される迷光を抑制することができる。なお、効果的な迷光対策のためには、リア側端面から漏れる光を、フロント側端面から出力される光の1/100以下に抑えることが好ましい。本実施形態におけるリア側端面は10%以上の反射率を有しているので、外部からの光がITLD 100に入射することも防止することができる。なお、リア側端面の反射率は、20%以上であることが好ましい。リア側端面からiTLD 100に入射する迷光はOA領域140で吸収され、当該OA領域140は、迷光が光共振器、即ち、SG−DFB領域120及びCSG−DBR領域130に入射することを抑制することができる。
以下、光変調器200について説明する。図5は、一実施形態の光変調器200の平面図である。光変調器200は、所謂マッハツェンダ型光変調器であり、第1干渉部(Multi Mode Interference)210、位相調整部220、変調部230、及び、第2干渉部240を含んでいる。第1干渉部210は、第1入力端211aに接続された第1入力光導波路212aと、第2入力端211bに接続された第2入力光導波路212bとを有する。これら二つの入力光導波路212a及び212bは、第1干渉光導波路215に合流し、その後に第1光導波路221a及び第2光導波路221bに分岐する。マッハツェンダ型光変調器200の長手方向に延びる軸線に対して、第1光導波路221aは第1入力端211aと同じ側に配置されており、第2光導波路221bは第2入力端211bと同じ側に配置されている。
第1光導波路221a及び第2光導波路221bは、第2干渉光導波路245で合流し、第1出力端241aに接続された第1出力光導波路242aと、第2出力端241bに接続された第2出力光導波路242bと、に分岐する。マッハツェンダ型光変調器200の長手方向に延びる軸線に対して、第1出力端241aは第2光導波路221bと同じ側に配置されており、第2出力端241bは第1光導波路221aと同じ側に配置されている。また、第1光導波路221aの光路長と第2光導波路221bの光路長との間には、予め差が設けられている。例えば、第1光導波路221aの光路長と第2光導波路221bの光路長との間の差は、第1光導波路221aを伝搬する光と第2光導波路221bを伝搬する光との間に−0.5πの位相差が生じるように、設定されている。
第1光導波路221a及び第2光導波路221bは、アームと呼ばれるものであり、これら光導波路の各々には、当該光導波路を伝搬する光の位相を調整するためのアーム電極が設けられる。アーム電極は、典型的には、位相調整用電極229及び変調用電極239を含んでおり、これら位相調整用電極229及び変調用電極239は、互いに離間されており、電気的に分離されている。これら二つの電極、即ち、位相調整用電極229と変調用電極239の位置関係は、特に限定されるものではないが、図5に示す実施形態においては、位相調整用電極229は変調用電極239よりも光入力端側に配置されている。また、第1出力光導波路242a及び第2出力光導波路242bの各々には、光強度検出電極249が設けられている。
変調用電極239のそれぞれは、一端において、外部駆動回路からの変調信号を受けて、第1光導波路221a及び第2光導波路221bを伝搬する光を変調する。変調用電極239の他端には終端抵抗238が接続されている。変調信号を変調用電極239に与えると、第1光導波路221a及び第2光導波路221bにおいてコアの屈折率が変化し、第1光導波路221a及び第2光導波路221bを通過する光の位相が変化する。
外部駆動回路は、互いに相補的な二つの信号(差動信号)を供給する。これら信号のうち一方は第1光導波路221aの変調用電極239に与えられ、他方は第2光導波路221bの変調用電極239に与えられる。即ち、第1光導波路221aの変調用電極239がレベル1の信号を受けているときには、第2光導波路221bの変調用電極239はレベル0の信号を受ける。逆に、第1光導波路221aの変調用電極239がレベル0の信号を受けているときには、第2光導波路221bの変調用電極239はレベル1の信号を受ける。このように、第1光導波路221aに印加される電圧と第2光導波路221bに印加される電圧との間に電位差があるために、第1光導波路221aを伝搬する光と第2光導波路221bを伝搬する光との間に、当該電位差に応じた位相差が生じる。
より具体的には、第1光導波路221aの変調用電極239がレベル1の信号を受けており、第2光導波路221bの変調用電極239がレベル0の信号を受けているときには、第1光導波路221aを伝搬する光と第2光導波路221bを伝搬する光との間に−0.5πの位相差が生じる。また、第1光導波路221aの変調用電極239にレベル0の信号が与えられており、第2光導波路221bの変調用電極239にレベル1の信号が与えられているときには、第1光導波路221aを伝搬する光と第2光導波路221bを伝搬する光との間に+0.5πの位相差が生じる。
上述したように、第1光導波路221aと第2光導波路221bは、−0.5πの位相差に相当する光路長差が予め与えられている。このため、各変調用電極239に与えられる変調信号により第1光導波路221aを伝搬する光と第2光導波路221bを伝搬する光との間に−0.5πの位相差が生じる場合は、第1光導波路221aを通過した光と第2光導波路221bを通過した光との間に、−πの位相差が生じることになる。これにより、第1出力端241aにおいて光が出力され、第2出力端241bでは光が消失する。一方、変調信号により第1光導波路221aを伝搬する光と第2光導波路221bを伝搬する光との間に+0.5πの位相差が生じる場合には、第1光導波路221aを通過した光と第2光導波路221bを通過した光との位相差は0になる。これにより、第1出力端241aでは光が消失し、第2出力端241bにおいて光が出力される。
このように、第1光導波路221aを通過した光と第2光導波路221bを通過した光との位相差に応じて、第1入力端211aから入力された光が出力される出力端が第1出力端241aと第2出力端241bとの間で切り替る。これにより、第1出力端241aから出力される光又は第2出力端241bから出力される光が変調される。図5に示す実施形態では、第1出力端241aの出力信号を変調信号として利用する。
第1光導波路221a及び第2光導波路221bの光学長は設計値からずれることがある。第1光導波路221a及び第2光導波路221bの製造における製造バラツキにより、デバイスのパラメータのバラツキが発生する。したがって、第1光導波路221a及び第2光導波路221bを伝搬する光の位相差は、変調用電極239にバイアス信号が与えられていない場合には、−0.5πにならないことがある。位相調整用電極229は、変調用電極239にバイアスが与えられていない条件下で、光の位相を調整することができる。
具体的には、DC電圧を位相調整用電極229に印加すると、第1光導波路221a及び第2光導波路221bのそれぞれを伝搬する光の位相は、統計的に調整され得る。即ち、光強度検出電極249によって検知された光出力に基づいて、位相調整用電極229に印加するDC電圧に帰還制御を行う。光強度検出電極249の下に位置する出力光導波路242a,242bは、フォトダイオードとして機能する。出力光導波路242a,242bを通る光は、電流Ipdに変換され、当該電流Ipdから電圧信号に変換された電圧が位相調整用電極229にフィードバックされる。第1出力光導波路242aを通過した光と第2出力光導波路242bを通過した光との位相差が0又は−πである場合には、第1出力端241aから出力される光強度と第2出力端241bから出力される光強度とは、一定の時間幅で同じ大きさとなる。そこで、位相調整回路により、第1出力光導波路242aの光強度検出電極249で検出された光強度と、第2出力光導波路242bの光強度検出電極249で検出された光強度とが同じ大きさとなるように、各位相調整用電極229に印加するDC電圧を調整する。これにより、第1光導波路221aを通過した光と第2光導波路221bを通過した光との位相差を0又は−πに合致させることができ、製造ばらつきによる位相のズレを調整することができる。
一実施形態の光トランシーバは、以上で説明したiTLD 100を備えるTOSAを搭載している。以下、TOSAの構成について説明する。
図6は、一実施形態の光トランシーバに搭載されるTOSA 20の内部を示している。図6に示すTOSA 20は、角形のハウジング21を含む本体部20a、及び、当該ハウジング21の一側壁から延び出す光結合部22を有している。図6では、光結合部は省略されている。
ハウジング21の後壁21aからは合計18本のリードピン23a,23cが延び出している。これらリードピング23a,23cは二列に配列されている。一方、ハウジング21の一側壁からは別の6本のリードピン23bが延び出している。後壁に設けられた上段列のリードピン23cは、光変調器200を駆動する高周波信号を伝送するため、また、CSG−DBR領域130のヒータに電流を供給するために提供されており、これらリードピン23cは、iTLD 100に信号を直接提供するために設けられている。下段列のリードピン23a及び側壁に設けられたリードピン23bは、iTLD 100にヒータに供給する信号以外の信号を供給し、光変調器200に変調信号以外の信号を供給するために設けられている。即ち、リードピン23a及び23bは、低周波信号又はDC信号を供給するために設けられている。TOSA 20のハウジング21は金属製であるが、リードピン23a,23b,23cを取り出す箇所においてはセラミック製であり、金属製の本体部との絶縁を確保している。また、高周波信号を供給するリードピン23cについては、信号の劣化を抑制するために、インピーダンス整合が図られている。
光変調器200を集積化したiTLD 100は、TEC 24上に搭載されている。本実施形態のTOSA 20は、TECの長手方向と本体部21の長手方向とが一致しているが、iTLD 100が当該長手方向に対して傾斜してTEC 24上に搭載されていることを特徴としている。即ち、光変調器200から出力される光の光軸は、その光出射端面に対して直角以外の有意な角度を有している。具体的には、iTLD 100、即ち、光変調器200の光軸は、その光出射端面の法線に対して傾けられている。これにより、光変調器200から出射された光が外部で反射されて戻されても、当該反射光がiTLD 100の活性層122Aに戻り、雑音光となることを抑制することができる。
光変調器200から出射された光は、第1のレンズ31によって集光され、光カプラ32に入射する。当該光カプラは、第1のプリズム32aによって当該光を分岐する。第1のプリズム32aは、入射した光を必ずしも均等に分岐する必要はない。分岐後の二つの光線のうち一方は、エタロンフィルタ33に入射して、第2のフォトダイオード34bに受光される。二つの光線のうち他方は、第1のフォトダイオード34aに向かう。第1のフォトダイオード34aは、図6においてはハウジング21の側壁によって隠されている。第1のフォトダイオード34aに向かう光線は、更に第2のプリズム32bによって分岐される。分岐後のビームのうち一方は第1のフォトダイオード34aに向かい、他方は光結合部22に向かう。即ち、図6に示す光結合系においては、第1のフォトダイオード34aは光変調器200からの出射光を検知し、第2のフォトダイオード34bはエタロンフィルタ33を通過した光を検知する。また、光結合部22に到達する光は、二つのプリズム32a,32bにより曲げられたジグザグの光軸を有する。エタロンフィルタ33は、波長に対して周期的な透過率を有しており、当該透過率の周期はDWDM光通信システムのグリッド周期に略対応している。したがって、光変調器200を集積化したiTLD 100の温度を第2のフォトダイオード34bの出力に基づいて制御することで、iTLD 100の出射光の波長を、ITU−Tのグリッド波長の一つに合致させることができる。これら二つのフォトダイオード34a,34bは、対応のサブマウント35a,35bを介してTEC 24上に搭載されている。
図7は、TEC(温度制御素子)24及び当該TEC 24上に搭載された部品の断面を示している。TEC 24は、ペルチェデバイス、CuW製のベース24C、別のベース24A及び24Bを備えている。ベース24Aは、窒化アルミニウム(AlN)製である。ペルチェデバイスは、上基板24a、下基板24b、及び基板24aと24b間に挟まれた複数のペルチェ素子24cを含んでいる。複数のペルチェ素子は、電気的に直列に接続されている。上基板24aは、その上においてベース24CがiTLD 100を搭載している部分から、その上においてベース24Cが残りの光部品を搭載している部分へと延在するよう、当該ベース24Cを搭載している。TEC24の後者の部分は、光部品31〜34をベース24C及びベース24Aを介して搭載している。TEC24の前者の部分は、光変調器200を集積化したiTLD 100を、ベース24C及び別のAlNベース24Bを介して搭載している。TEC 24の上基板24aは、上記光部品の一部を支持している。
ペルチェ素子24cは、iTLD 100をその上に搭載する領域のみに配置されている。光部品31〜34がその上に設けられている他の領域においてはペルチェ素子は設けられていない。これは、光部品31〜34の特性が当該光部品の温度に対して鈍感であり、一方、iTLD 100及び光変調器200は温度に対して敏感であるからである。iTLD 100及び光変調器200は、その温度に対して精密に制御される必要がある。また、ペルチェデバイスの価格は、そのサイズに大きく依存する。光変調器200を集積化したiTLD 100を搭載する領域のみにペルチェデバイスを設ける本実施形態の構成は、コストにおける利点をもたらし得る。光部品31〜34が搭載されている残りの領域の温度制御は、CuWベースの厚みを約1.3mmに設定することで実施される。また、上基板が、光変調器200を集積化したiTLD 100が搭載されている領域のみを支持する構成において、TEC 24の上基板24aを、光部品31〜34が搭載されている領域(光部品搭載領域)の中間まで延長する構成により、当該光部品搭載領域を支持する必要な強度を確保することができる。上基板24aが光部品搭載領域を支持せず、光変調器200を集積化したiTLD 100を支持する構成であっても、光部品31〜34に必要な温度特性は、これら光部品の下方にCuWベース24Cを設けることで確保することができる。しかしながら、上基板24aは、強度の面からは光部品搭載領域の中間部分まで延在することが好ましい。また、光部品31〜34用の光部品搭載領域の全てを上基板24aが支持する構成では、TEC 24のコストが上昇するだけでなく、光変調器200を集積化したiTLD 100の温度特性にも影響が及ぶ。光部品搭載領域まで延長された上基板24aは、放熱器として機能し、TEC 24の消費電力を増加させ得る。
図8は、TOSA 20のピン接続、即ち、リードピン23a,23b,23cの配線を模式的に示している。上述したように、本実施形態のTOSA 20は、合計24本のリードピン23a,23b,23cを有している。後壁に設けられたリードピン23cは、光変調器200を駆動する二つの駆動信号を差動信号の形態で(リードピン23c−2,23c−4から)供給し、ヒータ用の三つの制御信号を(リードピン23c−6,23c−7,23c−8から)供給する。(リードピン23c−2,23c−4から供給される)二つの駆動信号は10GHz以上の高周波成分を含むので、信号ピン(23c−2,23c−4)の両側にはグランドピン(23c−1,23c−3,23c−5)が設けられており、これにより、信号ピン(23c−2,23c−4)の擬似的なインピーダンス整合が図られている。
本体部の側壁からは複数のリードピン23bが引き出されている。これらリードピン23bは、二つのモニタ信号用のリードピン(23b−A,23b−B)、iTLD 100の三つの領域への電流用のリードピン(23b−C,23b−D,23b−E)を含んでいる。これらのリードピン23b−A〜23b−Fにおいて伝送される信号は、DC信号であるか、極めて低周波の成分を含む実質的にDCの信号である。したがって、これらリードピン23bについては、当該リードピン自体及びそれらリードピンに接続される配線のインピーダンスを考慮する必要がない。下段列のリードピン23aは、後壁から引き出されており、TEC 24を制御するためのリードピン23a−12,23a−13,23a−18、高周波信号を除く光変調器200用のリードピン23a−10,23a−11,23a−14〜23a−17を含んでいる。これら信号も、それらのインピーダンスを考慮する必要がないDC又は実質的にDCの信号である。むしろ、TEC 24に電流を供給するリードピン23a−12,23a−13には大電流が流れるので、これらリードピンの寄生抵抗を考慮する必要がある。
以下、TOSA 20に信号を提供する方法について説明する。
図9は、TOSA 20、 ROSA 30、光トランシーバ1に搭載される二つの回路基板12及び13、並びに、二つのフレキシブルプリント回路(以下、「FPC」という)基板17及び18を示す斜視図である。図9に示すように、第1のFPC 16は、ROSA 30を主基板12に接続する。以下、第1のFPC 16を「Rx−FPC 16」と呼ぶ。Rx−FPC 16は、互いに相補的な差動信号「D−Rx」及び「/D−Rx」をROSA 30から主基板12に伝送する。また、Rx−FPC 16は、ROSA 30内の電源Vcc及びフォトダイオード用のバイアスVpdを主基板12からROSA 30へ伝送する。この電源は、ROSA 30内に搭載されたプリアンプ用の電源である。一実施形態の光トランシーバ1は、受光素子として、ROSA 30内にアバランシェフォトダイオード(APD)を搭載している。APDは、数10ボルトの比較的大きな電圧でバイアスされる必要がある。ROSA 30は、光可変減衰器(VOA)をその内部に搭載していてもよい。RX−FPC 16は、VOAを制御する信号、具体的には、VOAの減衰量を設定する信号を伝送してもよい。
TOSA 20は、既に説明したように、複数種のリードピン23a,23b,23c、即ち、高周波信号用のリードピン23cとDC又は低周波信号用のリードピン23a及び23bとを備えている。リードピン23cは、FPC 18の一端にソルダリングされ、RF−FCP 18の他端は主基板12に直接接続される。リードピン23a及び23bは、子基板13に直接ソルダリングされる。リードピン23a及び23bを介して伝送される信号は、部分的に子基板13で処理され、別のFPC 17を介して主基板12に伝達される。このように、本実施形態の光トランシーバ1は、主基板12上の回路12Aからの高周波信号をTOSA 20にRF−FPC 18を介して直接伝達し、一方、DC又は低周波信号を、LF−FPC 17及び子基板13の配線を介してTOSA 20にリンクする。子基板13をバイパスするように、主基板12からTOSA 20に直接的に高周波信号を伝送する構成により、当該信号の品質の劣化を防止することができる。
図10は、二つの基板12及び13、二つのOSA 20及び30、三つのFPC16〜18が光トランシーバ1のハウジング内において組立てられる配置構成を示している。二つの基板12及び13は、LF−FPC 17及びRF−FPC 18を曲げることにより、上下に並べられる。TOSA 20は、主基板12の前方側の空間においてROSA 30の横に配置されるので、ROSA 30に干渉しない。ROSA 30のベースが下方に配置され、TOSAのベース20dが上方に配置される。図10に示す中間製品を光トランシーバ1のハウジング内に組み込むと、TOSA 20のベース20dは、ハウジングの天井部に接触し、ROSA 30のベースはハウジングの底部に接触する。TOSA 20及びROSA 30は、例えば、TOSA 20のTEC 24及びROSA 30のプリアンプといった発熱デバイスを搭載しており、これらデバイスはそれぞれ対応のベース上に搭載され、TOSA 20とROSA 30との間の熱的な分離が実質的に行われている。
iTLD 100は、温度に敏感な出射波長を有する半導体発光デバイスである。したがって、ROSA 30とTOSA 20との間の熱的分離は、波長可変光トランシーバを実現する上で重要となる。さらに、主基板12は信号処理回路12Aを表面実装により搭載しており、当該回路12Aは大きな熱を発生するが、主基板12は回路12Aの熱を放熱する部材を、その裏面に有していない。二つの基板12及び13が上下に配置されていると、主基板12の上面は、子基板13の主面に対面する。しかしながら、子基板13の主面は、TOSA 20用の他の回路を搭載しており、主基板12上の回路12Aの熱を放熱する部材を有していない。このように、回路12A用の放熱経路は確保されていない。回路12Aのリードピンのみが、当該回路12Aからの熱を伝えることができる。このような回路12Aの周囲の構成により、TOSA 20を回路12Aから熱的に分離することができる。
図11は、LF−FPC 17の平面図である。LF−FPC17は、主基板12側の電極17aと子基板13側の電極17bを備えており、電極17aと電極17bは互いに対角な位置に設けられている。LF−FPC 17の電極を対角配置することにより、LF−FPC17に接続される二つの回路基板12及び13がねじれの位置関係で配置されることを防ぐことができる。二つの回路基板12及び13がねじれの位置関係にあると、これら回路基板12及び13をハウジング内に搭載することが困難になるばかりか、これら基板12及び13を無理に搭載すると、RF−FPC 18に応力が及ぼされ、RF−FPC 18で伝送される高周波信号の品質に影響が及ぶ。
図12は、RF−FPC 18の平面図である。二つの信号線「D+」及び「D−」、三つのヒータ線、並びに、四つのグランド線がRF−FPC 18上に設けられている。信号線D+及びD−は、TOSA側の電極18aから主基板12側の電極18bまでグランド線間に挟まれて延在している。RF−FPC 18は、その中間部分において幅狭になってくびれており、当該部分において屈曲される。このくびれ部は、当該部分において折り曲げられて、二つの回路基板12及び13の上下配置を実現することを容易にする。信号線D+及びD−は、くびれ部の内側を走っており、TOSA 20を主基板12に最短距離で接続する。ヒータ線は、くびれ部において外側に設けられている。これは、ヒータ線が比較的低周波の信号を伝送するからである。
本実施形態の光トランシーバ1では、TOSA20に対する高周波信号は、主基板12に搭載された回路12Aで生成され、子基板13を介することなくRF−FPC 18を介してTOSA20に直接伝達される。この構成は、高周波信号を伝達する信号線の距離の絶対値を短くするだけでなく、インピーダンスの不整合を生じさせ得る基板12及び13とLF−FPC 17間の部分の不連続性による信号の劣化を防止し得る。さらに、LF−FPC 17は、二つの基板12と13を対角位置において接続する。この構成は、LF−FPC 17の配線を長くするが、二つの基板がねじれの位置関係で配置されることを効果的に防止し得る。
以下、二つのOSA 20及び30、並びに、二つの回路基板12及び13を、二つのFPC17及び18を用いて組立てる方法について説明する。
まず、図13に示すように、回路12Aを搭載した主基板12とROSA 30をRx−FPC 16を用いて接続する。Rx−FPC 16に設けられているヴィアにROSA 30のリードピンを挿入し、一方、ROSA 30と反対側の電極を主基板12の電極にソルダリングし、ROSA30を主基板12に結合する。
次いで、図14に示すように、LF−FPC 17を用いて、子基板13と主基板12を接続する。この接続には、ソルダリング等の方法を用いることができる。さらに、図15に示すように、DC又は低周波信号用のTOSA20のリードピン23a及び23bを子基板13のヴィアに通し、当該ヴィアの周囲のランドをソルダリングする。なお、図15では、ROSA 30及び主基板12が省略されている。上述したソルダリングの工程、即ち、ROSA 30用のソルダリング及びTOSA 20用のソルダリングは、同時に行われてもよい。即ち、TOSA 20及びROSA 30を含むデバイスをそれぞれの所定位置に配置した後、一時のソルダリングにより、RF−FPC 18以外のこれらデバイスの組み付けを行うことができる。
次いで、図16に示すように、TOSA 20のリードピン23cにRF−FPC 18をソルダリングする。このソルダリングにはスポット溶接等を用いることができる。図16においても、主基板12及びROSA 30は省略されている。この状態では、RF−FPC 18は、その一端でTOSA 20に接続しているが、その他端はオープンな状態である。その後、RF−FPC 18の他端を主基板12の電極にソルダリングする。このソルダリングには、スポット溶接、半田付け等を用いることができる。
最後に、TOSA 20が取り付けられた子基板13を主基板12に重ねるように、LF−FPC 17及びRF−FPC 18を屈曲させることで、二つの回路基板12及び13を上下に配置する。FPC基板17及び18を屈曲させたことで、ソルダリングの信頼性は向上される。これは、FPC 17及び18を基板12及び13に押し付ける応力が発生するからである。図17は、RF−FPC 18と TOSA 20のリードピン23cとの間の接続の状態を示す断面図である。リードピン23cは、ソルダリングに際して、下方に曲げられており、RF−FPC 18は、子基板13に対面するよう部分18cから水平方向に展開されている。これにより、RF−FPC 18を屈曲半径を大きくすることができ、RF−FPC 18で伝送される高周波信号の品質の劣化を抑制することができる。RF−FPC 18は、その取材によっては、小さい曲げ半径で破壊されることがある。リードピン23cを下方に曲げることで、RF−FPC 18の信頼性を向上することができる。
図18は、以上のように組立てられたOSA 20及び30、二つのFPC 17及び18を示す斜視図である。図18は、子基板を省略して主基板12の表面の構成を示している。図2を再び参照すると、二つのOSA20及び30、並びに、二つの基板12及び13が搭載された光トランシーバ1の内部が示されている。上述したように、本実施形態の光トランシーバ1は、信号処理回路12Aに加えて、iTLD 100を制御するための複数の電源を搭載している。したがって、主基板12及び子基板13は、それらの両面12a、12b、13a、及び13bに、電子部品を密に搭載する必要がある。二つの基板12及び13は上下の位置関係で配置されているので、図18では、TOSA 20のベース20dとROSA 30の天井部30cが見えており、図2では、TOSA 20の天井部とROSA 30のベースが見えている。TOSA 20のベース20d及びROSA 30のベース30dはそれぞれ、上ハウジング及び下ハウジングに接触し、二つの放熱経路を独立して形成している。主基板12の上面に搭載された回路12Aは、実質的には放熱経路を有していない。これは、回路12Aが搭載されている箇所に対応する主基板12の裏面にも電子部品が配置されているからである。したがって、回路12Aの放熱経路は主基板12に沿ったものだけとなっている。これにより、TOSA 20は、回路12Aで発生する熱から熱的に隔離される。
本発明の幾つかの実施形態及び変形態様について本明細書に詳細に説明したが、本発明の開示内容及び教示内容は多数の代替設計を当業者に示唆していることは明白である。
1…光トランシーバ、11…ハウジング、12…主基板、12A…信号処理回路、12a…電気プラグ、13…子基板、16…FPC基板(Rx−FPC)、17…FPC基板(LF−FPC)、17a…電極(主基板側)、17b…電極(子基板側)、18…FPC基板(RF−FPC)、18a…電極(TOSA側)、18b…電極(主基板側)、20…光送信サブアセンブリ(TOSA)、20a…本体部、20d…ベース、21…ハウジング、21a…後壁、23a,23b,23c…リードピン、24…TEC、24A…ベース、24B…ベース、24C…ベース、24a…上基板、24b…下基板、24c…ペルチェ素子、30…光受信サブアセンブリ(ROSA)、30c…天井部、30d…ベース。
Claims (9)
- 光変調器を集積化した半導体レーザダイオードを搭載する光送信サブアセンブリと、
前記光変調器を駆動する駆動信号を発生する駆動回路を搭載した第1の回路基板と、
前記半導体レーザダイオードにバイアスを提供するバイアス回路を搭載した第2の回路基板と、
前記第1の回路基板と前記第2の回路基板を電気的に接続する第1のフレキシブルプリント回路基板と、
前記光送信サブアセンブリを前記第1の回路基板に直接接続する第2のフレキシブルプリント回路基板と、
を備える光トランシーバ。 - 前記光送信サブアセンブリは、第1群の複数のリードピン及び第2群の複数のリードピンを備えており、前記第1群の複数のリードピンは、前記駆動信号を伝送し、前記第2のフレキシブルプリント回路基板に直接接続されており、前記第2群の複数のリードピンは前記バイアスを提供し、
前記駆動信号は、前記第2の回路基板において伝送されることなく前記第2のフレキシブルプリント回路基板を経由して前記光送信サブアセンブリに提供される、
請求項1に記載の光トランシーバ。 - 前記第1群の複数のリードピンは、前記光トランシーバの長手方向に沿って延び出しており、
前記第2のフレキシブルプリント回路基板は、前記第1の回路基板に接続される電極であり前記長手方向に交差する横方向に延在する該電極を有しており、前記駆動信号を伝達する信号線を有しており、該信号線は、前記電極と前記第1群の複数のリードピンのうち一つとに接続されており、前記第2のフレキシブルプリント基板上で実質的に直角に曲げられている、
請求項2に記載の光トランシーバ。 - 前記第2のフレキシブルプリント回路基板は、その中間部位にくびれ部を有する、請求項3に記載の光トランシーバ。
- 前記第1の回路基板及び前記第2の回路基板は、該光トランシーバ内において上下に配置されている、請求項1に記載の光トランシーバ。
- 前記光送信サブアセンブリは、前記駆動信号を伝送する第1群の複数のリードピンであり前記第2のフレキシブルプリント回路基板に直接接続された該第1群のリードピンを有しており、
前記第1群の複数のリードピンは、前記第2の回路基板に向けて曲げられている、
請求項5に記載の光トランシーバ。 - 熱を発生するデバイスを搭載するベースを有する光受信サブアセンブリと、上部及び下部を含むハウジングと、を更に備えており、
前記光送信サブアセンブリは、熱を発生するデバイスを搭載するベースを有しており、
前光送信サブアセンブリの前記ベースは、前記ハウジングの前記上部及び前記下部のうち一方に接触しており、前記光受信サブアセンブリの前記ベースは、前記ハウジングの前記上部及び前記下部のうち他方に接触している、
請求項5に記載の光トランシーバ。 - 前記第1のフレキシブルプリント回路基板は、前記第1の回路基板に接続される電極と、前記第2の回路基板に接続される別の電極とを有しており、
前記電極は、前記第1のフレキシブルプリント回路基板上で前記別の電極と対角に設けられている、
請求項1に記載の光トランシーバ。 - 前記第1のフレキシブルプリント回路基板は、前記第1の回路基板に接続される電極と前記第2の回路基板に接続される別の電極とを有しており、
前記電極と前記別の電極は、該光トランシーバの長手方向において互いにずれた位置に形成されている、
請求項1に記載の光トランシーバ。
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