JP2013201473A - 光受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】波長多重化された異なる波長の分波信号光を集積一体化された受光素子及び光学部品で受信するとともに、プリアンプ回路等を収容した小型の光受信モジュールを提供する。
【解決手段】受光素子２９を収容する矩形状のパッケージ部１２には、レセプタクル部からの波長多重化された信号光を異なる波長の分波信号光に分波する光分波器２６と、光分波器で分波された分波信号光をパッケージ底壁２１方向に向けてそれぞれ反射させる反射器２７とが、パッケージ底壁に向き合うパッケージ蓋体２２側に実装され、反射器で反射された分波信号光をそれぞれ受光する受光素子がパッケージ底壁側に実装され、受光素子からの出力信号を増幅するプリアンプ回路３２又は電子部品が、受光素子に近接して光分波器とパッケージ底壁との間の空間に実装されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光トランシーバ等の光受信に用いられる光受信モジュールに関する。

光伝送機器は、画像・音声・制御の信号を遠隔地に向けて長距離伝送可能に構成されており、一般に、シングルモードの光ファイバを用い、光トランシーバ等を搭載している。
近年、ネットワーク上を流れる情報量の増加と通信速度の高速化が進んでいる。これに伴い、光トランシーバ等に用いられる光送受信モジュールも高速化が進み、現在では４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓの伝送速度が要求されている。かかる高速の伝送速度は、単一の波長の光信号を処理する光デバイスでは追従することが難しく、波長多重による通信方法が用いられる。

例えば、特許文献１には、４０Ｇｂｐｓの高速伝送を実現するために、速度１０Ｇｂｐｓで動作する４セットの光送信サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）と光マルチプレクサ（ＭＵＸ）で送信部とし、速度１０Ｇｂｐｓで動作する４セットの光受信サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）と光デマルチプレクサ（Ｄｅ−ＭＵＸ）で受信部とした光トランシーバが開示されている。

また、特許文献２，３には、光ファイバからの波長多重化された異なる波長の複数の信号光を、波長分離部（光Ｄｅ−ＭＵＸ）を用いてそれぞれの波長に分離し、各受光素子に受光させる光受信モジュールが開示されている。
この光受信モジュールは、波長分離部、波長分離部からの分波信号光を集光する集光レンズ、集光レンズからの分波信号光を受光する受光素子、等を集積一体化して実装している。

特開２０１１−１１８３３７号公報 特開２００９−１９８９５８号公報 米国特許出願公開第２０１１／００５８７７１号明細書

近年は、光通信の高速伝送の要求に応える一方で、光トランシーバの小型化への要求も強く、業界標準のＣＦＰ−ＭＳＡの外形をさらに小さくしたＣＦＰ２、ＣＦＰ４、ＱＳＦＰ＋などの標準化が進められている。この場合、光トランシーバ内部でＴＯＳＡやＲＯＳＡに割り当てられる収容面積は縮小され、例えば、ＲＯＳＡは幅７ｍｍ以下のパッケージ内に、上記の波長多重された光信号を合分波する光学部品や波長の異なる光信号のそれぞれを処理する光半導体素子等を収容する必要がある。これに対応するには、特許文献１のように複数のＴＯＳＡ、ＲＯＳＡを並べる構造では、パッケージの外形寸法が大きくなって対応することが難しい。このため、特許文献２，３のように複数の光学部品等を集積一体化の形態とする必要がある。

この場合、ＲＯＳＡを構成する受光素子の出力は微弱であり、周囲のノイズを受けやすいことから、受光素子とその信号を増幅する前置増幅器（プリアンプ回路）等も、同じパッケージ内に組み込んで至近距離に配置することが好ましい。
しかしながら、波長分離部、集光レンズ、受光素子を同じ平面上に配列する構造では、占有面積が大きくなるため、さらにプリアンプ回路を搭載してボンディングワイヤで配線するには、パッケージを大きくせざるを得ず、小型化が難しいという問題がある。

本発明は、上述の如き実情に鑑みてなされたもので、波長多重化された異なる波長の分波信号光を集積一体化された受光素子及び光学部品で受信するとともに、プリアンプ回路等を収容した小型の光受信モジュールを提供することを目的とする。

本発明による光受信モジュールは、光ファイバが接続されるレセプタクル部と、受光素子及び光学部品を収容する矩形状のパッケージ部と、外部回路との電気接続を行う端子部とを備え、波長多重化された異なる波長の信号光を受光素子で受光して電気信号に変換する光受信モジュールである。上述のパッケージ部には、レセプタクル部からの波長多重化された信号光を異なる波長の分波信号光に分波する光分波器と、光分波器で分波された分波信号光をパッケージ底壁方向に向けてそれぞれ反射させる反射器とが、パッケージ底壁に向き合うパッケージ蓋体側に実装され、反射器で反射された分波信号光をそれぞれ受光する受光素子がパッケージ底壁側に実装され、受光素子からの出力信号を増幅するプリアンプ回路又は電子部品が、受光素子に近接して光分波器とパッケージ底壁との間の空間に実装されていることを特徴とする。

また、光分波器は、波長多重化された信号光の入射面と、反射器に向かう分波信号光の出射面とがレセプタクル部に向けて設けられてもよい。或いは、光分波器は、波長多重化された信号光の入射面がレセプタクル部に向けて設けられ、反射器に向かう分波信号光の出射面が端子部に向けて設けられてもよい。

本発明の光受信モジュールによれば、波長多重化された信号光を異なる波長の分波信号光に分波して受光素子で受光させるために必要な光分波器及び反射器をパッケージ蓋体側に実装しており、光分波器とパッケージ底壁との間には空間が形成され、この空間をパッケージ底壁側に実装された受光素子の周辺の電子部品の実装領域に利用することができる。この結果、部品実装のための平面積が軽減され、パッケージ部の小型化を達成することができる。

本発明の第１の実施形態による光受信モジュールの外観斜視図である。 図１の光受信モジュールの破断斜視図である。 図２の光受信モジュールを補完する断面図である。 図２の光分波器と反射器の実装例を示す図である。 図２の光分波器の分波動作を説明する図である。 図２の他の光分波器の例を説明する図である。 本発明の第２の実施形態による光受信モジュールの破断斜視図である。 図７の光受信モジュールを補完する断面図である。 図７の光分波器の分波動作を説明する図である。

図１〜６により本発明の第１の実施形態を説明する。図において、１０は光受信モジュール、１１はレセプタクル部、１２はパッケージ部、１３は端子部、１４はスリーブ、１５はジョイントスリーブ、１６はホルダ、２０はパッケージ筐体、２１はパッケージ底壁、２２はパッケージ蓋体、２２ａは実装面、２３はスリーブ取付部、２４は高さ調整用の部材、２６は光分波器、２７は反射器、２７ａは反射面、２８は集光レンズ、２９は受光素子、３０はサブマウント、３１は配線基板、３２はプリアンプ回路である。

図１に示すように、光受信モジュール１０は、シングルモードの光ファイバが接続されるレセプタクル部１１と、受光素子や光学部品等が収容されるパッケージ部１２と、外部回路との電気接続のための端子部１３とを備えている。レセプタクル部１１は、例えば、光コネクタのフェルールが挿入されるスリーブ１４と、調芯可能に結合するためのジョイントスリーブ１５と、パッケージ部１２との結合を形成するホルダ１６とから成る。

パッケージ部１２は、矩形状の箱型で形成され、例えば、金属製のパッケージ筐体２０、金属製のパッケージ底壁２１及びパッケージ蓋体２２からなる収容部に、後述する受光素子や光学部品等を搭載する。なお、パッケージ底壁２１には、銅モリブテンや銅タングステン等の材料を用いることができ、また、熱伝導性のよい材料を用いて放熱性を高めることができる。パッケージ蓋体２２は、搭載部品を収容して配線した後にパッケージ筐体２０の周縁に溶接して固定され、搭載部品を気密封止する。

端子部１３は、パッケージ部１２を挟んでレセプタクル部１１の反対側に配置される。端子部１３は、例えば、３枚のセラミック基板を積層して形成され、パッケージ筐体２０の後部側とパッケージ底壁２１との間に嵌め込むような形態で組み付けられ、その露出端には電気接続を形成するための電極が複数形成されている。なお、これら電極と外部回路とはフレキシブル基板（ＦＰＣ）等を介して電気接続される。

レセプタクル部１１において、ホルダ１６は、パッケージ筐体２０の前面側に設けたスリーブ取付部２３を介してパッケージ部１２に固定される。ホルダ１６には、ジョイントスリーブ１５を介してスリーブ１４が結合され、ジョイントスリーブ１５により軸方向及び径方向に対する調芯が行われる。なお、ホルダ１６内には、光ファイバから出射された信号光を平行光にする集光レンズ（図示省略）が配される。ホルダ１６内の集光レンズからの信号光はパッケージ部１２内に出射される。

図２に示すように、パッケージ部１２内には、光分波器２６（光Ｄｅ−ＭＵＸともいう）と、プリズム等で形成された反射器２７とが収容される。光分波器２６は、レセプタクル部からの波長多重化された信号光を異なる波長の複数の信号光（以下、分波信号光という）に分波する。反射器２７は、これら分波信号光をパッケージ底壁２１方向に向けてそれぞれ反射させる。光分波器２６の詳細は後述するが、光分波器２６と反射器２７は、例えば、パッケージ蓋体２２側に、パッケージ底壁２１に向き合うようにして実装される。

また、パッケージ部１２内には、反射器２７で反射された分波信号光をそれぞれ集光する集光レンズ２８と、この集光レンズ２８からの分波信号光をそれぞれ受光する受光素子２９とが収容される。集光レンズ２８及び受光素子２９は、例えば、セラミック製のサブマウント３０、配線基板３１等を介してパッケージ底壁２１側に実装されている。なお、集光レンズ２８は、例えば、複数のレンズを透明なガラス基板と一体形成したレンズアレイで構成され、受光素子２９も複数の受光素子を一体形成した受光素子アレイで構成される。

受光素子２９は、集光レンズ２８からの分波信号光を電気信号に変換し、プリアンプ回路３２に出力する。受光素子２９とプリアンプ回路３２とは、ワイヤを用いて電気接続され、互いに近接して配線基板３１に実装されており、受光素子２９の光電流は周囲のノイズを受け難い状態でプリアンプ回路３２に出力することができる。プリアンプ回路３２は、受光素子２９からの出力信号を増幅して端子部１３に出力する。

ここで、図３にも示すように、光分波器２６及び反射器２７は、例えば、高さ調整用の部材２４を介してパッケージ蓋体２２側に固定される。高さ調整用の部材２４は、例えば、ステンレス製や、電波吸収機能を有したセラミック製で構成され、パッケージ蓋体２２の内面に相当する実装面２２ａに設置されており、高さ調整用の部材２４の下面は、パッケージ底壁２１の平面から高さ方向に平行に離間している。

集光レンズ２８と受光素子２９は、反射器２７からの分波信号光を受光するように上下方向に配列して実装される。すなわち、反射器２７、集光レンズ２８、及び受光素子２９は、パッケージ部内の上下方向に重なるように配列される。
このように、光分波器２６及び反射器２７をパッケージ底壁２１から離間した位置、例えば、パッケージ蓋体２２側に実装すれば、パッケージ底壁２１では平面方向の配列スペースを軽減できるし、また、光分波器２６及び反射器２７をパッケージ底壁２１で支持させる部材も不要になる。このため、光分波器２６とパッケージ底壁２１との間には空間が形成され、この空いたスペースを、受光素子２９からの出力信号を増幅するプリアンプ回路３２や、例えば受光素子２９の電源用のコンデンサなどの電子部品の実装領域に利用することができる。

図４は、光分波器２６と反射器２７を高さ調整用の部材２４に実装した例を示す図である。この光分波器２６は、例えば、多層膜ミラーで構成された反射部材３６ａと、多層膜フィルタで構成され、透過する波長の異なる複数の波長フィルタ３６ｂとが、例えば、ホウケイ酸ガラス製の透明光学部材３６ｃを用いて一体形成されている。光分波器２６は、波長フィルタ３６ｂをレセプタクル部と端子部とを結ぶ線に対して傾斜させた姿勢で、高さ調整用の部材２４の略中央部分に配置される。

反射器２７は、例えば、プリズムで形成され、４５度の角度を有した反射面２７ａが光分波器２６に向くようにして、高さ調整用の部材２４の端部分に設置される。
図３に示したパッケージ蓋体２２をパッケージ筐体２０に組み付ける際には、パッケージ蓋体２２を水平方向に±１００μｍ（１μｍ＝１×１０^−６ｍ）程度移動、或いは、１°程度回転させて調芯する。なお、この程度の移動や回転であれば、パッケージ蓋体２２とパッケージ筐体２０との溶接には影響を与えない。

図３に破線で示すように、光ファイバからパッケージ筐体２０内に出射された信号光は、反射器２７の側方、つまり、この反射器２７の無い箇所を通り、光分波器２６にスリーブ取付部２３側から入射する。光分波器２６から同じくスリーブ取付部２３側に出射した分波信号光は、反射面２７ａで直交する方向に反射し、集光レンズ２８を経て受光素子２９で受光される。

図５は、上記の信号光をパッケージ蓋体から見た図で、光分波器２６は、波長多重化された信号光の入射面３７と反射器２７に向かう分波信号光の出射面３９とが、いずれもレセプタクル部側に向けて配置される。また、入射面３７の近傍には、入射面３７からの光を反射部材３６ａに全反射させる研磨面３８を有する。なお、入射面３７や出射面３９には、ＡＲコーティングが施されている。

そして、図５の矢印で示すように、波長（λ１、λ２、λ３、λ４）の多重化された信号光が、入射面３７から光分波器２６内に入り、研磨面３８で反射部材３６ａに向けて反射する。次いで、反射部材３６ａで反射すると、まず、１番目に配列された波長フィルタ３６ｂに当たる。この１番目に配列された波長フィルタ３６ｂでは、波長λ１の信号光は透過するが、その他の波長（λ２、λ３、λ４）の信号光を反射させる。

このため、波長λ１の分波信号光は出射面３９から反射器２７、集光レンズを経て受光素子に到達する。一方、１番目に配列された波長フィルタ３６ｂで反射した信号光は、反射部材３６ａを経由して２番目の波長フィルタ３６ｂに当たり、波長λ２の信号光が透過され、その他の波長（λ３、λ４）の信号光は反射される。
この波長λ２の分波信号光は出射面３９から反射器２７、集光レンズを経て受光素子に到達し、２番目の波長フィルタ３６ｂで反射した信号光は、反射部材３６ａを経由して３番目の波長フィルタ３６ｂに当たる。

以下、同様に透過と反射とが繰り返され、波長λ３の分波信号光や、波長λ４の分波信号光も、出射面３９から反射器２７、集光レンズを経て受光素子にそれぞれ到達する。
このように、光分波器２６の入射面３７と出射面３９をいずれもレセプタクル部に向けて配置すれば、図３に示すプリアンプ回路３２は、光分波器２６の直下とパッケージ底壁２１との間に実装可能になり、スリーブ取付部２３から端子部１３までの距離をより一層短縮することができる。また、図５の光分波器２６は、入射光と出射光とが平行になり、反射器や集光レンズ等の配置がシンプルになるので、パッケージ部内を容易に組み立てることができる。

図６は他の光分波器の例を示し、光分波器２６ａは、パッケージ蓋体から見た図５の例と同様に、入射面３７及び出射面３９をレセプタクル部に向けて配置している。しかし、入射面３７と出射面３９とを面一ではなく交差させることにより、この光分波器２６ａでは、図５の光分波器２６のような研磨面は不要になる。

図７〜図９は第２の実施形態を説明する図である。光分波器２６ｂと反射器２７は、図２，３の第１の実施形態と同様にパッケージ蓋体２２側に、高さ調整用の部材２４を介して固定され、パッケージ筐体２０内にて懸垂状態で設置される。
しかし、光分波器２６ｂは、スリーブ取付部２３と反射器２７との間に配置されており、レセプタクル部の光ファイバからの波長多重化された信号光は、スリーブ取付部２３内に密封形状で設けられた光学窓１９を経て、パッケージ筐体２０内に入り、光分波器２６ｂにより分波信号光とされて、端子部１３側に向けて出射される。光分波器２６ｂから端子部１３側に出射した分波信号光は、反射器２７で直交する方向に反射し、上下方向に配列された集光レンズ２８を経て受光素子２９で受光される。

図９は、上記の信号光をパッケージ蓋体から見た図で、光分波器２６ｂは、入射面３７と出射面３９とが波長フィルタ３６ｂ等を挟んで対向しており、入射面３７がレセプタクル部側に、出射面３９が端子部側に向けてそれぞれ配置される。また、入射面３７の近傍には、反射部材３６ａが形成されておらず、入射面３７側が単純なガラスブロック構造となり、光分波器２６ｂを安価に製造できる。

そして、この例の場合には、図８で説明した光分波器２６ｂの直下とパッケージ底壁２１との間には空間が形成され、この空いたスペースを、例えば、受光素子２９の電源用のコンデンサ３３等の実装領域に利用することができる。
なお、上記第１および第２の実施形態として、光分波器及び反射器が高さ調整用の部材を介してパッケージ蓋体に直に実装した例を示した。しかし、光分波器及び反射器が受光素子やプリアンプ回路と干渉しない空間に配置される限り、本発明の光分波器及び反射器は、パッケージ底壁に対向するように、例えば、パッケージ筐体２０の内部に突起を設けておき、この突起に支持される支持部材に実装されてもよい。この場合にも、上記と同様に、分波信号光を集積一体化された受光素子及び光学部品で受信し、プリアンプ回路等を収容した小型の光受信モジュールを提供することができる。

１０…光受信モジュール、１１…レセプタクル部、１２…パッケージ部、１３…端子部、１４…スリーブ、１５…ジョイントスリーブ、１６…ホルダ、１９…光学窓、２０…パッケージ筐体、２１…パッケージ底壁、２２…パッケージ蓋体、２２ａ…実装面、２３…スリーブ取付部、２４…高さ調整用の部材、２６，２６ａ，２６ｂ…光分波器、２７…反射器、２７ａ…反射面、２８…集光レンズ、２９…受光素子、３０…サブマウント、３１…配線基板、３２…プリアンプ回路、３３…電源用のコンデンサ、３６ａ…反射部材、３６ｂ…波長フィルタ、３６ｃ…透明光学部材、３７…入射面、３８…研磨面、３９…出射面。

Claims (3)

1. 光ファイバが接続されるレセプタクル部と、受光素子及び光学部品を収容する矩形状のパッケージ部と、外部回路との電気接続を行う端子部とを備え、波長多重化された異なる波長の信号光を前記受光素子で受光して電気信号に変換する光受信モジュールであって、
   前記パッケージ部には、前記レセプタクル部からの波長多重化された信号光を異なる波長の分波信号光に分波する光分波器と、前記光分波器で分波された分波信号光を前記パッケージ底壁方向に向けてそれぞれ反射させる反射器とが、前記パッケージ底壁に向き合うパッケージ蓋体側に実装され、
   前記反射器で反射された分波信号光をそれぞれ受光する前記受光素子が前記パッケージ底壁側に実装され、
   前記受光素子からの出力信号を増幅するプリアンプ回路又は電子部品が、前記受光素子に近接して前記光分波器と前記パッケージ底壁との間の空間に実装されていることを特徴とする光受信モジュール。
2. 前記光分波器は、前記波長多重化された信号光の入射面と、前記反射器に向かう前記分波信号光の出射面とが前記レセプタクル部に向けて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。
3. 前記光分波器は、前記波長多重化された信号光の入射面が前記レセプタクル部に向けて設けられ、前記反射器に向かう前記分波信号光の出射面が前記端子部に向けて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。

Images