JP2013206974A - Optical transmitter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光送信機に関する。 The present invention relates to an optical transmitter.
従来、例えば、特許文献1に開示されているように、光減衰器を備えた光送信機が知られている。現在広く一般に用いられている光送信機として、その内部に半導体レーザを備え、この半導体レーザを用いて電気信号に応じた光信号を出力するものがある。光信号は、光ファイバ等の光導波部材を通じて伝達され、光通信に供する。
Conventionally, for example, as disclosed in
半導体レーザは、一定の閾値電流を超えて駆動されることで発振し、その駆動電流が増加するほど強い光出力を発する。駆動電流の値は緩和振動周波数を決定する要素でもあり、緩和振動周波数は光送信機の性能に関する特性として知られている。この緩和振動周波数は、マスクマージンを決定する要素である。ここで、マスクマージン(MM:MASK MARGIN)とは、IEEEもしくはITU-Tなど国際標準規格で定められた伝送波形品質を定量的に評価する指標であり、マスクに対して、伝送波形が抵触するまでのマージンを意味する。伝送波形品質の観点からは良好なMMを得ることが好ましく、そのためには半導体レーザの緩和振動周波数を増加する必要があることが知られている。 The semiconductor laser oscillates by being driven beyond a certain threshold current, and emits a stronger optical output as the drive current increases. The value of the drive current is also an element that determines the relaxation oscillation frequency, and the relaxation oscillation frequency is known as a characteristic related to the performance of the optical transmitter. This relaxation oscillation frequency is an element that determines the mask margin. Here, the mask margin (MM: MASK MARGIN) is an index for quantitatively evaluating the transmission waveform quality defined in international standards such as IEEE or ITU-T, and the transmission waveform conflicts with the mask. Means a margin up to. From the viewpoint of transmission waveform quality, it is preferable to obtain a good MM, and for this purpose, it is known that the relaxation oscillation frequency of the semiconductor laser needs to be increased.
緩和振動周波数を増加する方法には、大別して2つの方法が挙げられる。第1の方法は、半導体レーザの特性の改善、具体的には微分利得の向上である。この第1の方法は、半導体レーザの特性を大きく改善する必要があり、非常に困難である。一方、第2の方法として、駆動条件の調整という方法がある。この第2の方法は、光出力を大きくすればよく、動作点を上げることで実現可能である。駆動電流と緩和振動周波数の間には、緩和振動周波数が駆動電流の平方根に比例するという関係があるからである。 There are roughly two methods for increasing the relaxation oscillation frequency. The first method is to improve the characteristics of the semiconductor laser, specifically, to improve the differential gain. This first method is very difficult because it is necessary to greatly improve the characteristics of the semiconductor laser. On the other hand, as a second method, there is a method of adjusting driving conditions. This second method can be realized by increasing the light output and raising the operating point. This is because the relationship between the driving current and the relaxation oscillation frequency is that the relaxation oscillation frequency is proportional to the square root of the driving current.
しかしながら、光送信機外部に実際に出力される光出力の強度には、制約がある。このような光出力の制約は、例えば、ITU−Tに代表される国際標準規格により要求される。ITU−Tなどに代表される国際標準規格、例えばOC−192SR−1においては、Pf=−6〜−1dBmと光出力の上限規格が厳しい。単純に動作点を上げていくと、光出力が規格を超えてしまうおそれがある。この点に対処する技術として、特許文献1にあるように、半導体レーザとファイバスタブの間に光減衰器を挿入して所望の強度までレーザ光を減衰させることで、光送信機外部への光出力を調整するというものがある。
However, the intensity of the optical output actually output to the outside of the optical transmitter is limited. Such light output restrictions are required by, for example, international standards represented by ITU-T. In an international standard represented by ITU-T, for example, OC-192SR-1, the upper limit standard of optical output is strict, such as Pf = -6 to -1 dBm. If the operating point is simply raised, the light output may exceed the standard. As a technique for coping with this point, as disclosed in
半導体レーザには温度特性があり、同一の駆動電流の場合には、半導体レーザが高温であるほど光出力が低下するという特性がある。光送信機には、ある程度の範囲を有する使用温度範囲が定められていることが普通である。実際上は、光送信機は、その使用温度範囲内における各種温度条件で使用され、常に同一温度で使用されるわけではない。従って、使用温度変化に応じて光出力の大きさが有る程度の範囲で変化することが想定される。 The semiconductor laser has a temperature characteristic. When the driving current is the same, there is a characteristic that the light output decreases as the temperature of the semiconductor laser increases. In general, an operating temperature range having a certain range is defined for an optical transmitter. In practice, the optical transmitter is used at various temperature conditions within its operating temperature range, and is not always used at the same temperature. Therefore, it is assumed that the magnitude of the light output changes within a certain range according to the change in operating temperature.
上記特許文献1に記載の光減衰器は、その段落0012、0019、0020等の記載やその図1にあるように、3dB等の一定の光減衰量を備えた固定光減衰器として提供されている。このような単一の光減衰量を有する光減衰器によっては、上記のような半導体レーザ温度特性に対処することが難しい。
The optical attenuator described in
つまり、温度特性によれば低温側では半導体レーザ出力が相対的に高いので、光送信機外部への光出力を抑えようとする設計思想から、光減衰器の光減衰量を十分に大きく定めることができる。しかしながら、そうすると、今度は、光出力が低下する高温動作時にも、一律にその十分に大きな光減衰が施されてしまう。その結果、高温側では光送信機外部への光出力が低すぎるため、駆動電流を高くせざるを得なくなってしまう。特に、駆動電流は必ずしも際限なく高くすることができるわけではなく、駆動回路(レーザドライバ)の供給電流には上限があることが普通である。このような事情を無視して光減衰量を一律に定めた場合には、低温側では光出力の上限値が高温側では駆動回路の供給電流がそれぞれ制限され、両者の両立が困難である。 In other words, because the semiconductor laser output is relatively high on the low temperature side according to the temperature characteristics, the optical attenuation of the optical attenuator should be set sufficiently large from the design philosophy to suppress the optical output to the outside of the optical transmitter. Can do. However, in this case, the sufficiently large light attenuation is uniformly applied even at the time of high temperature operation where the light output is reduced. As a result, since the optical output to the outside of the optical transmitter is too low on the high temperature side, the drive current must be increased. In particular, the drive current cannot always be increased without limit, and the supply current of the drive circuit (laser driver) usually has an upper limit. When the light attenuation amount is uniformly determined by ignoring such circumstances, the upper limit value of the light output is limited on the low temperature side and the supply current of the drive circuit is limited on the high temperature side, making it difficult to achieve both.
以上のように、従来の技術では、半導体レーザにおいて電流光出力特性に温度特性があるという点を考慮していなかった。このような点で、未だ改善の余地があった。 As described above, the conventional technology does not take into consideration that the current-light output characteristics of the semiconductor laser have temperature characteristics. In this respect, there is still room for improvement.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光送信機の温度が変化する環境においても、良好な緩和振動周波数を得るのに十分な駆動電流を半導体レーザに与えつつ、所望の光出力を実現可能な光送信機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor laser with a driving current sufficient to obtain a good relaxation oscillation frequency even in an environment where the temperature of an optical transmitter changes. An object of the present invention is to provide an optical transmitter capable of realizing a desired optical output.
本発明は、光送信機であって、
温度の上昇に応じて光出力が低下する半導体レーザと、
前記半導体レーザのレーザ光を減衰させて通過させ、前記半導体レーザの温度上昇に応じて減衰量が低下する光減衰部と、
前記光減衰部を通過したレーザ光が入射する位置に光導波部材を固定するための固定部と、
を備えることを特徴とする。
The present invention is an optical transmitter comprising:
A semiconductor laser whose optical output decreases as the temperature rises;
A light attenuating unit that attenuates and passes the laser light of the semiconductor laser, and the amount of attenuation decreases as the temperature of the semiconductor laser increases;
A fixing portion for fixing the optical waveguide member at a position where the laser light having passed through the light attenuating portion is incident;
It is characterized by providing.
本発明によれば、半導体レーザの温度が高いほど光減衰部におけるレーザ光の減衰の量を低減することができる。低温側から高温側にかけて、良好な緩和振動周波数を得るのに十分な駆動電流を半導体レーザに与えつつ、所望の光出力を実現可能な光送信機が提供される。 According to the present invention, the amount of attenuation of laser light in the light attenuating portion can be reduced as the temperature of the semiconductor laser is higher. There is provided an optical transmitter capable of realizing a desired optical output while giving a driving current sufficient to obtain a good relaxation oscillation frequency to a semiconductor laser from a low temperature side to a high temperature side.
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1にかかる光送信機10の内部構造を示す断面図である。光送信機10は、TOSA(Transmitter Optical Sub Assembly)つまり送信用小型光デバイスモジュールである。本実施の形態では、光送信機10は、低温側使用下限温度としてマイナス5℃、高温側使用上限温度として85℃の使用温度範囲が設定されている。
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the internal structure of the
光送信機10は、ステム12を備えている。ステム12には、金属ブロック14が設けられており、金属ブロック14上にはサブマウント16を介して半導体レーザダイオード18および可変光減衰器20が取り付けられている。半導体レーザダイオード18は、温度の上昇に応じて光出力が低下するものであり、具体的には非冷却DFBレーザダイオード(Uncooled DFB-LD)である。可変光減衰器20は、半導体レーザダイオード18のレーザ光を減衰させて通過させることができる。
The
金属ブロック14には温度モニタ素子21が取り付けられており、温度モニタ素子21の出力により半導体レーザダイオード18の温度を検知することができる。ステム12には、リードピンであるピン13(ピン13a、13b、13c、13d)が設けられており、各ピンは信号線としての金属線(図示せず)によって、半導体レーザダイオード18、可変光減衰器20および温度モニタ素子21と接続している。
A
ステム12には、集光レンズ24を備えるレンズ付キャップ22が、電気溶接により固着されている。光送信機10は、いわゆるCANパッケージ構造を有している。集光レンズ24は、可変光減衰器20と図示しない光ファイバ(光導波部材)の間に設けられ、可変光減衰器20を通過した光が結合し、集光した光を図示しない光ファイバ(光導波部材)に伝達する。レンズ付キャップ22に覆われた内部空間は気密封止されている。
A
半導体レーザダイオード18のレーザ光は、可変光減衰器20を介して集光レンズ24に到達する。レンズ付キャップ22は、更に、ファイバースタブ28およびスリープ30が接続されており、ファイバースタブ28と集光レンズ24の間には光アイソレータ26が設けられている。スリープ30は、光減衰部を通過したレーザ光が入射する位置に光ファイバ(光導波部材)を固定することができる。光アイソレータ26は、集光レンズ24と図示しない光ファイバ(光導波部材)との間に設けられ、図示しない光ファイバ(光導波部材)側からの戻り光をカットする。
Laser light from the
可変光減衰器20は、VOA(Variable Optical Attenuator)とも称される。可変光減衰器20は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)型の可変光減衰器である。MEMS型光減衰器は一般に小型であり、TOSAへの実装が容易である。
The variable
可変光減衰器20は、制御部32と接続する。制御部32は、半導体レーザダイオード18を駆動するレーザドライバである駆動回路32aと、可変光減衰器20の光減衰量を制御するための制御回路32bを含んでいる。制御部32は、温度モニタ素子21の出力信号に基づいて、半導体レーザダイオード18の温度の上昇に応じて可変光減衰器20の減衰量を低下させるように可変光減衰器20を制御することができる。制御部32により、半導体レーザダイオード18の駆動電流、および可変光減衰器20の光減衰量(すなわち光送信機10の光出力)を、独立に制御することができる。
The variable
駆動回路32aは、上限電流値以下の範囲で、半導体レーザダイオード18に駆動電流を与え、光出力を所定出力値にするように駆動回路の駆動電流を制御するAPC制御を実行可能である。なお、APC制御に必要なモニタ用受光素子(フォトダイオード)は図示していないが、適宜に光送信機10の出力を検知可能な位置に取り付けて用いればよい。また、温度変化による半導体レーザダイオード18の光出力変化は、このモニタ用受光素子によって検知できる。従って、温度モニタ素子21を省略しても良い。
The
[実施の形態1の作用]
図2乃至図6は、本発明の実施の形態1にかかる光送信機10の動作を説明するための図である。
[Operation of Embodiment 1]
2 to 6 are diagrams for explaining the operation of the
(駆動電流、光出力および緩和振動周波数の関係)
図2および図3は、駆動電流、光出力および緩和振動周波数の関係を示す図である。
電流光出力特性40に示すように、駆動電流と光出力には、線形の関係がある。また、緩和振動周波数特性42に示すように、駆動電流と緩和振動周波数の間には、緩和振動周波数が駆動電流の平方根に比例するという関係がある。これらの関係を図2に示している。駆動電流を増すごとに光出力は増加し、緩和振動周波数も駆動電流の平方根に比例して増加している。
(Relationship between drive current, light output and relaxation oscillation frequency)
2 and 3 are diagrams showing the relationship between the drive current, the optical output, and the relaxation oscillation frequency.
As shown in the current-
図2に示すように、光出力には、標準規格等で決まる光出力上限値PLが存在している。このPLから、一つの電流値IPLが決まる。このIPLは、光出力上限値で律される電流値である。一方、緩和振動周波数についても、良好なマスクマージン(MM)を得るために必要となる緩和振動周波数friが存在する。このfriからも、一つの電流値Iiが決まる。電流値Iiは、緩和振動周波数の観点から理想的な駆動電流値である。 As shown in FIG. 2, the light output, the light output upper limit value P L which is determined by the standards or the like are present. This P L, a current value I PL is determined. The I PL is the current value Ritsusa in light output upper limit value. On the other hand, there is a relaxation vibration frequency f ri necessary for obtaining a good mask margin (MM) with respect to the relaxation vibration frequency. Also from this f ri , one current value I i is determined. The current value I i is an ideal drive current value from the viewpoint of the relaxation oscillation frequency.
図3は、本発明の実施の形態1にかかる光送信機10が可変光減衰器20を備えることにより達成可能な効果を説明するための図である。光減衰器を介在させることで電流値に対する光出力の傾き(電流光出力特性)を、緩やかなものとすることができる。図3に示すように、電流光出力特性40から電流光出力特性48へと、図3の矢印に示すように調整可能となり、可変光減衰器による結合効率の調整が可能である。理想の駆動電流Iiにおいて光出力上限値IPLを超えないように、可変光減衰器20を用いて適切な結合効率に調整する事で、良好なマスクマージンを得る事が可能となる。
FIG. 3 is a diagram for explaining an effect achievable when the
(半導体レーザの温度特性に対する光減衰量の適正化)
一般に、半導体レーザは、駆動電流と光出力の関係について温度依存性を有している。図4に示すように、低温時の電流光出力特性TL1と室温時の電流光出力特性TR1とを比べると、低温時の電流光出力特性TL1のほうが傾きが急である。すなわち、低温においては室温よりも微分効率が増加する為、同一電流で駆動していても光出力が室温と比べて相対的に高くなってしまう。その場合、光出力の上限値PLによる駆動電流IPLの制限は、室温と比べて更に厳しいものとなる。つまり、低温では駆動電流を大きくすると光出力が大きくなりすぎてしまうので、駆動電流を室温と比べて小さくせざるを得ない。しかしながら、その一方で、駆動電流が小さければ緩和振動周波数も低くならざるをえない。
(Optimization of optical attenuation for temperature characteristics of semiconductor lasers)
In general, a semiconductor laser has temperature dependence with respect to the relationship between drive current and optical output. As shown in FIG. 4, when the current-light output characteristic TL1 at low temperature and the current-light output characteristic TR1 at room temperature are compared, the slope of the current-light output characteristic TL1 at low temperature is steeper. That is, differential efficiency increases at room temperature compared to room temperature, so that the optical output becomes relatively higher than room temperature even when driven with the same current. In that case, the limit of the drive current I PL by the upper limit value P L of the light output becomes more severe than the room temperature. That is, if the drive current is increased at a low temperature, the light output becomes too large, so the drive current has to be reduced compared to room temperature. However, on the other hand, if the drive current is small, the relaxation oscillation frequency must be lowered.
そこで、低温時の電流光出力特性TL1から、電流光出力特性TL2となるように光を減衰させる。こうすることで、光出力の増分に応じた結合効率を低下させることにより、緩和振動周波数を高く保ったまま(fri以上に維持したまま)、光出力の上限値PL以下に光出力を制御することができる。 Therefore, light is attenuated so that the current-light output characteristic TL2 is changed from the current-light output characteristic TL1 at low temperature. In this way, by reducing the coupling efficiency corresponding to the increment of the light output, while maintaining a high relaxation oscillation frequency (while maintaining above f ri), the light output equal to or less than the upper limit value P L of the optical output Can be controlled.
光減衰は、電流光出力特性の傾きを緩やかにする効果(図4であればTL1からTL2へと変更する効果)を有している。可変光減衰器20によれば、この光減衰の量を変更することができる。従って、電流光出力特性の傾きを緩やかに変更する程度を、異ならしめることができる。低温時においては、光減衰量を相対的に大きくして、その傾きの変更の程度を大きくすることができる。図4であればTL1からTL2への矢印Att1がこれを示す。
Optical attenuation has the effect of making the slope of the current-light output characteristic gentle (the effect of changing from TL1 to TL2 in FIG. 4). According to the variable
逆に高温時においては、光減衰量を相対的に小さくして、その傾きの変更の程度を小さくすることができる。図4であれば、室温時における、電流光出力特性TR1から電流光出力特性TR2への矢印Att2がこれを示す。矢印Att1と矢印Att2とを比較すると、矢印Att1のほうが相対的に長くなっており、光減衰量が大きいことを表している。 Conversely, at high temperatures, the amount of light attenuation can be made relatively small, and the degree of change in the tilt can be made small. In FIG. 4, an arrow Att2 from the current light output characteristic TR1 to the current light output characteristic TR2 at room temperature indicates this. Comparing the arrow Att1 and the arrow Att2, the arrow Att1 is relatively longer, indicating that the light attenuation is larger.
このような可変光減衰器20の効果について、図5および図6を用いて更に説明する。図5は、光減衰量が一定である光減衰器を用いて、結合効率を一律に下げた場合における電流光出力特性を示す図である。図5の電流光出力特性TL3、TH1は、それぞれ低温時および高温時の、半導体レーザダイオード18の電流光出力特性である。一方、電流光出力特性TL4、TH2は、それぞれ低温時と高温時の、光減衰器を介して光送信機外部へ出力される光信号についての電流光出力特性である。なお、ここでいう低温と高温は相対的な温度の違いを意味する。
The effect of the variable
光減衰量が一定である光減衰器を用いた場合には、低温側の電流光出力特性に対して減衰の効果があるのみならず、これと連動して高温の電流光出力特性も同程度の割合で緩やかとなる。そうすると、高温側においては低温側と比べて同じ光出力を得るためにより一層駆動電流を増加せざるを得ず、光減衰器により意図しない形で駆動電流を増加させる必要がある。これは、光送信機において光出力を一定とする駆動、すなわちAPC(Auto Power Control:定光出力駆動) を行う場合には、不可避的に問題となる。APC駆動を行った場合、目標とする光出力PAPCを確保するためには、高温の駆動電流を増加せざるを得ないからである。 When an optical attenuator with a constant light attenuation is used, not only does it have an attenuation effect on the current-light output characteristics on the low-temperature side, but also the high-temperature current-light output characteristics are comparable to this. The rate becomes moderate. Then, in order to obtain the same light output on the high temperature side as compared with the low temperature side, it is necessary to further increase the drive current, and it is necessary to increase the drive current unintentionally by the optical attenuator. This inevitably becomes a problem when driving the optical transmitter to keep the optical output constant, that is, when performing APC (Auto Power Control). This is because when APC driving is performed, a high temperature driving current must be increased in order to secure the target light output PAPC .
しかしながら、その一方で、駆動回路には電流の上限値ICLがあり、ある一定値以上は電流を供給できないのが普通である。つまり、ICL以下の範囲でしか、半導体レーザダイオード18に駆動電流を与えることができない。そのため、駆動回路の供給電流上限値ICL以下で、所望の光出力(APC駆動であればその目標値PAPC)を得る必要がある。図5にあるように、高温時の電流光出力特性TH2においてPAPCを得るためには、「結合効率を一律に下げた場合の高温の駆動電流」であるITH2IPCを供給せざるを得ない。このITH2IPCはICLを超えており、ICLを電流上限値とする駆動回路では供給できない。
However, on the other hand, the drive circuit has an upper limit value I CL of the current, and it is normal that current cannot be supplied beyond a certain fixed value. That is, a drive current can be applied to the
図6は、可変光減衰器20を適用した場合を示す。前述したように、可変光減衰器20は、光減衰量を変更することができるから、低温側では緩和振動周波数を最大とするために、光減衰量を十分に大きくし、結合効率を調整する。その結果、図6の低温時の電流光出力特性TL5から電流光出力特性TL6へと、半導体レーザダイオード18のレーザ光出力を調節(減衰)することができる。
FIG. 6 shows a case where the variable
その一方で、高温側では駆動電流が供給電流上限値つまりICLを超えないように、光減衰量を小さな値に調節する。その結果、図6の高温時の電流光出力特性TH3から電流光出力特性TH4へと、半導体レーザダイオード18のレーザ光出力を調節(減衰)することができる。その結果、低温時と高温時のいずれの場合においても、減衰後の電流光出力特性(TL6、TH4)が、駆動電流IAPCに対して光出力PAPCを得ることができる特性になる。IAPCは、つまり、「可変光減衰器20により温度によって最適な結合効率に設定した場合の、高温時の駆動電流」である。
On the other hand, on the high temperature side, the optical attenuation is adjusted to a small value so that the drive current does not exceed the supply current upper limit value, that is, ICL . As a result, the laser light output of the
(制御部32が実行する好ましい制御の内容)
以下、本発明の実施の形態1にかかる光送信機10において、制御部32が実行する好ましい制御の内容を説明する。好ましい制御として、以下、第1の制御内容と第2の制御内容とを説明する。
(Contents of preferred control executed by the control unit 32)
Hereinafter, the contents of preferable control executed by the control unit 32 in the
第1の制御内容は、次の通りである。
使用温度範囲の高温側上限(たとえば85℃)で、可変光減衰器20の減衰率を小さな値、たとえば0%と設定する。この状態で、所定の光出力PAPCが得られるよう、半導体レーザダイオード18の駆動電流を設定する。駆動電流は、駆動回路32aの供給電流の上限値ICL以下の値とする。
The first control content is as follows.
The attenuation rate of the variable
温度変化により、半導体レーザダイオード18の光出力が小さく必要な緩和振動数が得られない場合は、半導体レーザダイオード18の駆動電流を上げるとともに可変光減衰器20の減衰率を大きくする。これにより、光送信機10の光出力を所定の値PAPCに保ちながら、必要な緩和振動数friが得られるようにする。
When the light output of the
その他の温度(室温、低温)では、半導体レーザダイオード18の駆動電流を一定にして、可変光減衰器20の減衰率を変える。温度低下とともに減衰率を大きくする。制御部32は、半導体レーザダイオード18の駆動電流が所定の値(ICL以下の所定値)に保持された場合に、光ファイバ(図示せず)への入射光の強度変化を抑制するように、可変光減衰器20の減衰量を変化させる。これにより、光送信機10をAPC駆動する。
At other temperatures (room temperature, low temperature), the drive current of the
第2の制御内容は、次の通りである。上記の第1の制御内容では、半導体レーザダイオード18の駆動電流を一定にした。第2の制御内容では、必要な緩和振動周波数friが得られる温度範囲では、可変光減衰器20の減衰率を一定にするとともに駆動電流を調整する。通常、温度低下とともに電流を小さくする。
The second control content is as follows. In the above first control content, the driving current of the
それ以外の温度範囲(緩和振動周波数friが得られない温度範囲)では、半導体レーザダイオード18の駆動電流を一定にして、可変光減衰器20の減衰率を変えることにより、光モジュールをAPC駆動する。つまり、制御部32は、駆動電流が所定の値(ICL以下の所定値)に保持された場合において、光ファイバ(図示せず)への入射光の強度変化を抑制するように、可変光減衰器20の減衰量を変化させる。これにより、光送信機10をAPC駆動する。
In other temperature ranges (temperature range in which the relaxation oscillation frequency f ri cannot be obtained), the optical module is driven by APC by changing the attenuation rate of the variable
以上説明した実施の形態1にかかる光送信機10によれば、半導体レーザダイオード18の温度が高いほど可変光減衰器20における光減衰量を低減することができる。これにより、ある駆動電流に対して、温度特性により半導体レーザダイオード18の出力が相対的に大きい低温側では光減衰量を相対的に多くし、温度特性により半導体レーザダイオード18の出力が相対的に小さい高温側では光減衰量を相対的に多くすることができる。
According to the
このようにすることで、低温側から高温側にかけて、良好な緩和振動周波数(fri)を得るのに十分な駆動電流Iiを半導体レーザダイオード18に与えつつ、所望の光出力(PL以下の所定出力、又はPAPC)を実現可能な光送信機10が提供される。これにより、光送信機10は、広い温度範囲において良好なマスクマージンを得ることができる。
In this way, a desired light output (P L or less) is given to the
なお、可変光減衰器20の減衰量の上限は、光送信機10が下限使用温度(マイナス5℃)であるときに半導体レーザダイオード18の光出力を光送信機10の光出力上限値PL以下とする減衰量以上である。また、可変光減衰器20の減衰量の下限は、光送信機10が上限使用温度(85℃)であるときに駆動電流の上限値ICLで半導体レーザダイオード18を駆動した駆動状態において、当該駆動状態における光送信機10の光出力が所定出力値(PAPC又はPL)となる減衰量以下である。これにより、下限使用温度と上限使用温度の間の温度域で、理想とする緩和振動周波数friを実現するように光減衰量の調整が可能である。
The upper limit of the attenuation amount of the variable
(アイパターン等の評価)
図7乃至10は、本発明の実施の形態1にかかる光送信機10の効果を説明するための図である。図7は、APC駆動時の緩和振動周波数の温度依存性を示す。緩和振動周波数は微分利得の平方根にも比例し、微分利得はデチューニング量により決定されるため、一般的に図7のような曲線を描く。可変光減衰器20によって、結合効率を温度毎に最適化することで、緩和振動周波数を広い温度範囲で増すことができ、緩和振動周波数特性を特性52から特性50へと改善できる。その結果良好なマスクマージンを得ることができる。
(Evaluation of eye pattern, etc.)
7 to 10 are diagrams for explaining the effect of the
図8は4次ベッセムトムソンフィルタを使用しない場合における、緩和振動周波数(fr)の特性を示しており、図9は緩和振動周波数が低い場合において4次ベッセムトムソンフィルタを使用した場合のアイパターンを示しており、図10は緩和振動周波数が高い場合において4次ベッセムトムソンフィルタを使用した場合の良好なアイパターンを示している。本実施の形態によれば、図10に示すごとき良好な特性を示し、良好なマスクマージンを得ることができる。 FIG. 8 shows the characteristics of the relaxation oscillation frequency (fr) when the fourth-order Bessem Thomson filter is not used, and FIG. 9 shows the eye when the fourth-order Bessem Thomson filter is used when the relaxation oscillation frequency is low. FIG. 10 shows a good eye pattern when the fourth-order Bessem Thomson filter is used when the relaxation oscillation frequency is high. According to the present embodiment, good characteristics as shown in FIG. 10 can be obtained, and a good mask margin can be obtained.
なお、実施の形態1は、半導体レーザダイオード18として、非冷却DFBレーザダイオードを用いた。しかしながら本発明はこれに限られない。端面出射型(ファブリペロー型)の半導体レーザでもよく、面発光型の半導体レーザでも良い。また、光送信機10はCANパッケージ構造であるが、本発明はこれに限られず、バタフライパッケージその他の各種パッケージでもよい。また、本発明にかかる光送信機は必ずしもTOSAとして提供されなくともよい。
In the first embodiment, an uncooled DFB laser diode is used as the
実施の形態2.
図11は、本発明の実施の形態2にかかる光送信機100の内部構成を示す断面図である。光送信機100は、可変光減衰器20を有しておらず、その代わりに光学フィルタ120を有している点で、光送信機10と相違している。また、制御部32は有しておらず、その代わりに、半導体レーザダイオード18を駆動するための駆動回路132を備えている。これに伴い、ピン13の数も減じている。他の構成については光送信機10と同様であるため、同一の符号を付してその説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an internal configuration of the
半導体レーザダイオード18は、温度の上昇に応じて長波長側に発振ピーク波長が変化するものである。すなわち、非冷却DFBレーザダイオードの特性として、発振ピーク波長に温度依存性があり、低温側では短波長側へと、高温側では長波長側へと、温度に応じて発振ピーク波長が変化する。半導体レーザダイオード18は、およそ0.1nm/℃の温度依存性を有しているものとする。
The
光送信機100は、集光レンズ24とファイバースタブ28との間に介在する光学フィルタ120を備えている。このような位置関係で配置された光学フィルタ120は、より詳細には光アイソレータ26とファイバースタブ28との間に設けられている。また、光軸方向に見て、半導体レーザダイオード18とファイバースタブ28の間に介在している。
The
光学フィルタ120は、入射するレーザ光の波長が長波長側であるほど透過率が高くなるように減衰量が変化する光透過層である。図12は、本発明の実施の形態2にかかる光学フィルタ120の波長に応じた光透過率特性を示す。図12に示すように、光学フィルタ120は、短波長側の光の透過率を低く抑え、長波長側の透過率が高くされている。このようにすることで、半導体レーザダイオード18の温度上昇に応じて発振ピーク波長が長波長側へとシフトするにつれ、光学フィルタ120の光透過量を多することができる(光減衰量を小さくできる)。
The
なお、光学フィルタ120の透過率曲線が半導体レーザダイオード18が持つ微分効率の温度依存性を打ち消すように設計されたときに、最良の効果が得られる。つまり、図13に示すような半導体レーザダイオード18が持つ微分効率の温度依存性カーブと、図12に示す透過率特性カーブとが、ちょうど互いに反転させた関係にある場合に、最良の効果が得られる。
The best effect can be obtained when the transmittance curve of the
実施の形態3.
図14は、本発明の実施の形態3にかかる光送信機200の内部構成を示す断面図である。光送信機200は、可変光減衰器20を有しておらず、その代わりにレンズコーティング膜220およびスタブコーティング膜228を有している点で、光送信機10と相違している。また、制御部32は有しておらず、その代わりに、半導体レーザダイオード18を駆動するための駆動回路132を備えている。これに伴い、ピン13の数も減じている。他の構成については光送信機10と同様であるため、同一の符号を付してその説明を省略する。
FIG. 14: is sectional drawing which shows the internal structure of the
実施の形態3においても、実施の形態2と同様に、半導体レーザダイオード18は、温度の上昇に応じて長波長側に発振ピーク波長が変化するものである。すなわち、非冷却DFBレーザダイオードの特性として、発振ピーク波長に温度依存性があり、低温側では短波長側へと、高温側では長波長側へと、温度に応じて発振ピーク波長が変化する。半導体レーザダイオード18は、およそ0.1nm/℃の温度依存性を有しているものとする。
Also in the third embodiment, as in the second embodiment, the
光送信機100は、半導体レーザダイオード18とこれに光結合されるべき光ファイバ(光導波部材)との間に介在する光学部品として、集光レンズ24、光アイソレータ26、ファイバースタブ28を備えている。光送信機100は、これらの光学部品のうち、集光レンズ24の表面(少なくともレーザ光が結合する部分)にレンズコーティング膜220が設けられ、ファイバースタブ28の先端面(光入射端面)にスタブコーティング膜228が設けられたものである。
The
レンズコーティング膜220およびスタブコーティング膜228は、入射するレーザ光の波長が長波長側であるほど透過率が高くなる光透過層である。つまり、入射するレーザ光の波長が長波長側であるほど、光減衰量が低下する。
The
図15は、本発明の実施の形態3にかかるレンズコーティング膜220およびスタブコーティング膜228の波長に応じた光透過率特性を示す。図15に示すように、レンズコーティング膜220およびスタブコーティング膜228は、短波長側の光の透過率を低く抑え、長波長側の透過率が高くされている。このようにすることで、半導体レーザダイオード18の温度上昇に応じて発振ピーク波長が長波長側へとシフトするにつれ、レンズコーティング膜220およびスタブコーティング膜228の光透過量を多することができる(光減衰量を小さくできる)。
FIG. 15 shows light transmittance characteristics according to the wavelengths of the
なお、実施の形態2における光学フィルタ120の場合と同様に、レンズコーティング膜220およびスタブコーティング膜228の透過率曲線が半導体レーザダイオード18が持つ微分効率の温度依存性を打ち消すように設計されたときに、最良の効果が得られる。つまり、図16に示すような半導体レーザダイオード18が持つ微分効率の温度依存性カーブと、図16に示す透過率特性カーブとが、ちょうど互いに反転させた関係にある場合に、最良の効果が得られる。
As in the case of the
実施の形態4.
図17は、本発明の実施の形態4にかかる光送信機200の内部構成を示す断面図である。光送信機200は、可変光減衰器20を有しておらず、その代わりに半導体レーザダイオード318および電界吸収層320が集積されたレーザダイオードチップを有している点で、光送信機10と相違している。また、制御部32に代えて制御部332を有している。他の構成については光送信機10と同様であるため、同一の符号を付してその説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an internal configuration of the
光送信機300は、半導体レーザダイオード18と同様の非冷却DFBレーザダイオードである半導体レーザダイオード318を備えている。半導体レーザダイオード318の前端面側には、電界吸収層320が集積されている。電界吸収層320は、半導体レーザダイオード318の前端面側電界吸収層である。なお、このような構成は、いわゆる電界吸収型光変調器として知られる構成でもあり、EA(Electro Absorption)変調器とも呼ばれる構成である。
The
光送信機300は、制御部332を備えている。制御部332は、半導体レーザダイオード318に駆動電流を供給するレーザドライバとしての駆動回路332aと、電界吸収層320への印加電界を調整するEA制御部332bを備えている。EA制御部332bは、半導体レーザダイオード318の温度が高いほど、電界吸収層320の光吸収量が少なくなるように、電界吸収層320へ印加する電界を調整する。
The
実施の形態4にかかる光送信機300においては、制御部332が次のような制御を行う。つまり、半導体レーザダイオード318に対して駆動電流の調整による変調動作(直接変調)を実施し、電界吸収層320はその電界を調節することで可変光減衰器として動作させる。これにより、電界吸収層320の電界を温度に応じて調節し、所望量の光吸収(つまり所望量の光減衰)を得るものである。
In the
具体的には、EA制御部332bが、半導体レーザダイオード318が低温であれば第1光吸収量となるように電界吸収層320に第1の電界を印加し、半導体レーザダイオード318が高温であれば上記第1の光吸収量よりも小さな第2光吸収量となるように電界吸収層320に第2の電界を印加する。
これは、通常のEA変調器では、半導体レーザダイオード部分を連続発信させるCW(Continuous Wave Oscilation)駆動を行いつつ、電界吸収層を変調動作させて変調光を得るのとは対照的である。
Specifically, the
This is in contrast to an ordinary EA modulator that obtains modulated light by modulating the electroabsorption layer while performing CW (Continuous Wave Oscillation) driving for continuously transmitting the semiconductor laser diode portion.
図18は、実施の形態4においてEA制御部332bによる電界の調節により実現される、電界吸収層320での光吸収特性を示す図である。半導体レーザダイオード318の温度上昇に応じて、光吸収率が低下させられている。従って、半導体レーザダイオード318の温度が高いほど、電界吸収層320における光減衰量が低下することとなる。
FIG. 18 is a diagram illustrating light absorption characteristics in the
なお、前述したように、実施の形態2における光学フィルタ120の透過率曲線や実施の形態3におけるレンズコーティング膜220等の透過率曲線が、半導体レーザダイオード18が持つ微分効率の温度依存性を打ち消すように設計されるのが好ましい。これと同様に、半導体レーザダイオード318の温度に応じた電界吸収層320の光吸収量制御も、その温度光吸収特性が半導体レーザダイオード318が持つ微分効率の温度依存性を打ち消すように設計されるのが好ましい。つまり、図19に示すような半導体レーザダイオード318が持つ微分効率の温度依存性カーブと、図18に示す光吸収特性カーブとが、ちょうど互いに反転させた関係にある場合に、最良の効果が得られる。
As described above, the transmittance curve of the
図20は、本発明の実施の形態4にかかる光送信機の変形例を示す図である。図20は、光送信機300の金属ブロック14近傍を部分的に拡大した図であり、個々に図示した以外の構成は、図17と共通である。
FIG. 20 is a diagram of a modification of the optical transmitter according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 20 is a partially enlarged view of the vicinity of the
この変形例は、半導体レーザダイオード318および電界吸収層320を備えたレーザダイオードチップに代えて、半導体レーザダイオードチップ418を備えている。半導体レーザダイオードチップ418は、DFBレーザダイオード部419と、光出力調整層420と、モニタ電流取出層422とを備えており、これらは制御部432に接続されている。
This modified example includes a semiconductor
光出力調整層420は前端面側に設けられた電界吸収層(EA変調器における変調器部)であり、モニタ電流取出層422は後端面側に設けられた電界吸収層(EA変調器における変調器部)である。DFBレーザダイオード部419は、半導体レーザダイオード318と同様の非冷却DFBレーザダイオードの構成を有するものである。光出力調整層420は、電界吸収層320に相当している。図20に示す本実施の形態の変形例に係る光送信機は、モニタ電流取出層422を備えている。モニタ電流取出層422は、半導体レーザダイオードチップ418の後端面側に集積され、光吸収に応じて電流が流れる後端面側電界吸収層(或いは変調器部)である。
The optical output adjustment layer 420 is an electroabsorption layer (modulator part in the EA modulator) provided on the front end face side, and the monitor
図20に示す変形例は、制御部432を備えている。制御部432は、前述した駆動回路332a、EA制御部332bに加え、フィードバック部432cを備えている。モニタ電流取出層422は光を吸収する際に発生する光電流を生じさせる。この光電流の値は、制御部432におけるフィードバック部432cに入力される。フィードバック部432cは、モニタ電流取出層422に流れる光電流の値を、光出力調整層420の印加電解の値にフィードバックする。本実施の形態によれば、光出力調整層420の吸収率と、モニタ電流取出層422のモニタ電流値とを連動させることができる。これによりAPC駆動が可能となる。
The modification shown in FIG. 20 includes a
なお、モニタ電流を参照して半導体レーザダイオードの前端面の光出力を監視する技術には、例えば、特開平4−290485号公報に開示される技術がある。ただし、当該公報の技術は半導体レーザダイオード部、モニター部そして変調器(光吸収層)の順番で並んでいる構成であるため、本実施の形態とはその構成が異なっている。この場合にはモニタ電流が一定とならないためにモニター電流を参照したAPC駆動はできない。この点、実施の形態4によれば、上述のフィードバック部432cの制御によってAPC駆動を実現可能である。
As a technique for monitoring the optical output of the front end face of the semiconductor laser diode with reference to the monitor current, for example, there is a technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-290485. However, since the technique of the publication is a configuration in which the semiconductor laser diode portion, the monitor portion, and the modulator (light absorption layer) are arranged in this order, the configuration is different from the present embodiment. In this case, since the monitor current is not constant, APC driving with reference to the monitor current cannot be performed. In this regard, according to the fourth embodiment, APC driving can be realized by the control of the
10、100、200、300 光送信機
12 ステム
13、13a、13b、13c、13d ピン
14 金属ブロック
16 サブマウント
18、318 半導体レーザダイオード
20 可変光減衰器
21 温度モニタ素子
22 レンズ付キャップ
24 集光レンズ
26 光アイソレータ
28 ファイバースタブ
30 スリープ
32 制御部
32a 駆動回路
32b 制御回路
120 光学フィルタ
132 駆動回路
220 レンズコーティング膜
228 スタブコーティング膜
320 電界吸収層
332 制御部
332a 駆動回路
332b 制御部
418 半導体レーザダイオードチップ
419 レーザダイオード部
420 光出力調整層
422 モニタ電流取出層
432 制御部
432c フィードバック部
10, 100, 200, 300
Claims (10)
前記半導体レーザのレーザ光を減衰させて通過させ、前記半導体レーザの温度上昇に応じて減衰量が低下する光減衰部と、
前記光減衰部を通過したレーザ光が入射する位置に光導波部材を固定するための固定部と、
を備えることを特徴とする光送信機。 A semiconductor laser whose optical output decreases as the temperature rises;
A light attenuating unit that attenuates and passes the laser light of the semiconductor laser, and the amount of attenuation decreases as the temperature of the semiconductor laser increases;
A fixing portion for fixing the optical waveguide member at a position where the laser light having passed through the light attenuating portion is incident;
An optical transmitter comprising:
光の減衰量を変更可能な可変光減衰器と、
前記半導体レーザの温度の上昇に応じて前記可変光減衰器の減衰量を低下させるように、前記可変光減衰器を制御する制御部と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の光送信機。 The light attenuator is
A variable optical attenuator that can change the amount of light attenuation;
A control unit for controlling the variable optical attenuator so as to reduce the attenuation amount of the variable optical attenuator according to an increase in temperature of the semiconductor laser;
The optical transmitter according to claim 1, comprising:
前記集光レンズと前記光導波部材との間に設けられ、前記光導波部材側からの戻り光をカットする光アイソレータと、
を備えることを特徴とする請求項2または3に記載の光送信機。 A condensing lens provided between the variable optical attenuator and the optical waveguide member, the light passing through the variable optical attenuator is coupled, and the condensed light is transmitted to the optical waveguide member;
An optical isolator that is provided between the condenser lens and the optical waveguide member and cuts the return light from the optical waveguide member side;
The optical transmitter according to claim 2, further comprising:
前記可変光減衰器の減衰量の下限は、光送信機が上限使用温度であるときに前記上限電流値で前記半導体レーザを駆動した駆動状態において、当該駆動状態における前記光送信機の光出力が前記所定出力値となる減衰量以下であることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の光送信機。 A drive circuit capable of performing APC control for controlling the drive current so as to give a drive current to the semiconductor laser in a range equal to or lower than an upper limit current value and to set the optical output to a predetermined output value;
The lower limit of the attenuation amount of the variable optical attenuator is that the optical output of the optical transmitter in the driving state is the driving state in which the semiconductor laser is driven at the upper limit current value when the optical transmitter is at the upper limit operating temperature. The optical transmitter according to claim 2, wherein the optical transmitter is equal to or less than an attenuation amount at which the predetermined output value is obtained.
前記光減衰部は、入射するレーザ光の波長が長波長側であるほど透過率が高くなる光透過層であることを特徴とする請求項1に記載の光送信機。 The semiconductor laser has an oscillation peak wavelength that changes on the long wavelength side in response to a temperature rise,
2. The optical transmitter according to claim 1, wherein the light attenuating unit is a light transmitting layer having a higher transmittance as the wavelength of incident laser light is longer.
前記半導体レーザと前記光導波部材との間の位置に設けられた光学フィルタと、
前記半導体レーザと前記光導波部材との間の位置に配置した光学部品の、表面に設けられたコーティング膜と、
のうち少なくとも一方であることを特徴とする請求項7に記載の光送信機。 The light transmission layer is
An optical filter provided at a position between the semiconductor laser and the optical waveguide member;
A coating film provided on the surface of an optical component disposed at a position between the semiconductor laser and the optical waveguide member;
The optical transmitter according to claim 7, wherein the optical transmitter is at least one of the two.
前記半導体レーザの前端面側に集積された前端面側電界吸収層と、
前記半導体レーザの温度が高いほど前記前端面側電界吸収層の光吸収量が少なくなるように、前記前端面側電界吸収層へ印加する電界を調整する電界調整部と、
を含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光送信機。 The light attenuator is
A front end face side electroabsorption layer integrated on the front end face side of the semiconductor laser;
An electric field adjusting unit that adjusts an electric field applied to the front end surface side electroabsorption layer so that the amount of light absorption of the front end surface side electroabsorption layer decreases as the temperature of the semiconductor laser increases;
The optical transmitter according to claim 1, comprising:
前記後端面側電界吸収層に流れる電流値と前記前端面側電界吸収層の光吸収量とを連動させるように、前記前端面側電界吸収層へ印加する電界を調整するフィードバック調整部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の光送信機。 A rear end face side electric absorption layer that is integrated on the rear end face side of the semiconductor laser, and a current flows according to light absorption;
A feedback adjustment unit that adjusts the electric field applied to the front end surface side electroabsorption layer so as to interlock the value of current flowing in the rear end surface side electroabsorption layer and the light absorption amount of the front end surface side electroabsorption layer;
The optical transmitter according to claim 9, further comprising:
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