JP2013539071A5

JP2013539071A5 - 双方向光電子装置

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Publication number: JP2013539071A5
Application number: JP2013527369A
Authority: JP
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2031-09-06

Description

従来の双方向光電子装置の光源１１６は、第二送信情報をエンコードするように変調された電気入力信号２６をユニポーラ信号源２３から受信し、それに応じて、第二送信情報をエンコードするように変調された光出力信号１６を生成するように配置される。光源１１６は第一及び第二の電気入力リード１２６a/１２６bを有し、そして図６の例では、レーザーダイオード１１６から構成される。光源１１６は駆動回路１５０によって加えられる電気入力信号２６を電気入力リード１２６aで受信し、駆動回路１５０による印加電圧Ｖ_ＬＳに電気入力リード１２６bを通じて接続されている。電気入力信号２６はＤＣオフセットを含む場合や含まない場合があり、また、回路１５２及び１５４を通じて光源１１６とＡＣ結合あるいはＤＣ結合することが出来る。回路１５２及び１５４は、それぞれ、電気入力信号２６のＤＣ結合のために配置された単純接続またはダイオード、電気入力信号２６のＡＣ結合のために配置された単一コンデンサから構成され、あるいは適切なフィルタリング、インピーダンス整合、増幅、または電気入力信号２６を光源１１６へ加えるための他の能動または受動回路から構成される。オペアンプＡＭＰ_LS、フィードバックインピーダンスＺ_ＬＳ、トランジスタＴ_ＬＳ、及び抵抗Ｒ_ＬＳが図６の例に示されており、レーザーダイオード１１６によって放射される平均光パワーを調節するための制御回路から構成される。制御及びモニター電圧であるＶ_ｃｏｎ及びＶ_ｍｏｎは、それぞれオペアンプＡＭＰ_LSへ印加され、トランジスタＴ_ＬＳを通し、従ってレーザーダイオード１１６を通して、平均電流を調節する。制御及びモニター電圧は適切な方法（即ち、光出力信号１６の平均パワーをモニターすることによって、あるいは電気入力信号２６の平均パワーをモニターすることによって）によって生成される。多くの適切な配置が知られており、レーザーダイオード１１６を通して流れる平均電流を調節するために、これらを採用することが出来る、あるいはそのような調節は、望むなら、全く省略することができる（従って、次の図面からは省かれている）。

典型的な実施例においては、光源１１６は半導体光源、通常、レーザーダイオードから構成される。そのような実施例では、第一電気入力リード１２６aはレーザーダイオード１１６の陰極から構成され、第二電気入力リード１２６bはレーザーダイオード１１６の陽極から構成される。従来のレーザー駆動回路（図６に示されているような）では、通常、ユニポーラ電気入力信号２６がレーザーダイオード１１６の陰極にのみ加えられる（入力リード１２６aを通じて）。レーザーダイオード陰極の電圧は入力信号の時間的変動に従い、一方、レーザーダイオード陽極（入力リード１２６b）における電圧は、通常、はるかに小さな振幅で変動する。多くの従来のレーザー駆動回路においては、レーザーダイオード陽極は、実際に、比較的大きな容量でＲＦ接地されてＶ_ＬＳと並列に且つＶ_ＬＳへの接続の近くに接地される（例えば、図６では、回路１５４は単一のコンデンサから構成される）。対照的に、駆動回路２５０は電気入力信号２６の反転、伸縮されたレプリカ２７a/２７bをレーザーダイオード１１６の電気入力リード１２６a/１２６bへ配信するように構成される。図７の装置では、レーザーダイオードの陽極及び陰極の両電圧は電気入力信号２６に従って、より小さい逆の振幅で（信号２７a/２７bとして）変動する；駆動回路２５０によって駆動されるレーザーダイオード１１６全体の電圧低下は従来の駆動回路１５０のものと似通っている。駆動回路２５０を備えた、本開示によって構成された双方向光電子装置は、駆動回路１５０を備えた従来の双方向光電子装置より低い電気的クロストークを示すことが観測された（他の全ての要因は同じ、即ち、電気入力信号の振幅、光検出器及び光源のタイプ及び相対位置、その他；例えば、レーザーダイオード１１６のバイポーラ変調対ユニポーラ変調に関してのみ異なる）。

しかしながら、図９の対称的配置では図６の配置に対して大幅な改善は得られない。Ｒ１９＝１２Ω及びＲ８８＝９Ωを有する駆動回路２５０の配置では、クロストークペナルティは約２．５ｄＢｍのみとなり、これは図９の典型的な配置に対して実現可能な最小クロストークペナルティと思われる。この様な配置では、レーザー陽極（リード１２６b）の電圧変調の振幅は、レーザー陰極（リード１２６a、変調は陽極の変調に対して反転される）の電圧変調よりも幾分大きいと思われる。所定のレーザーダイオードや他のレーザーダイオード１１６、フォトダイオードや他の光検出器１１４、光源や光検出器の空間的配置、及び駆動回路２５０の特定の配置に対して、信号部分２７a/２７bの相対的振幅（即ち、倍率）は、電気入力信号が駆動回路２５０（図１０の図表に表示）を通して光源１１６に加えられる時、最小クロストークペナルティを達成するように最適化される。

図１１は他の典型的駆動回路２５０の単純化した部分を示し、図９と似てはいるが、レーザーダイオード１１６用のバイアス回路のＲＦ等価物（Ｒ３４/３５、Ｃ３０/３１、Ｌ１０/１１）を含む追加的詳細が示されている。図９の例のように、Ｒ１３、Ｒ１６、Ｒ３２、及びＲ３３から構成される抵抗ネットワークが採用され、電気入力信号２６から電気信号部分２７a/２７bが得られる。Ｒ３２及びＲ３３はその抵抗間に接地された分圧器を形成し、信号部分２７a/２７bはそれぞれ抵抗Ｒ１３とＲ１６を通過する。抵抗Ｒ１３とＲ１６の値が変動するとき（Ｒ１３+Ｒ１６≒１８Ωを維持して）、信号部分２７a/２７bは、変動し且つ１（Ｒ１３＝Ｒ１６＝９Ωの場合）に近い最小倍率となる、相対的な絶対倍率を有する互いに反転された実質的レプリカである。この対称的配置では、電気入力信号が駆動回路２５０及び光源１１６に加えられたとき、約０．３ｄＢ以下のクロストークペナルティとなり、駆動回路１５０及び光源１１６（光源１１６のユニポーラ駆動を除いて、実質的に図１１のように配置）が動作中の光検出器１１４について、約０．８−１．０ｄＢクロストークペナルティからの改善が観測された。

この場合もまた、図１１の対称的配置では図６の配置に対して大幅な改善は得られない。Ｒ１３＝１１Ω及びＲ１６＝６．８Ωを有する駆動回路２５０の配置では、クロストークペナルティは約０．１−０．２ｄＢのみとなり、これは図１１の典型的な配置（図１２のプロットに表示）に対して実現可能な最小“クロストークペナルティ”と思われる。この様な配置では、レーザー陽極（リード１２６b）の電圧変調の振幅は、レーザー陰極（リード１２６a、変調は陽極の変調に対して反転される）の電圧変調よりも幾分大きいと思われる。所定のレーザーダイオードや他のレーザーダイオード１１６、フォトダイオードや他の光検出器１１４、光源や光検出器の空間的配置、及び駆動回路２５０の特定の配置に対して、信号部分２７a/２７bの相対的振幅（即ち、倍率）は、電気入力信号が駆動回路２５０を通して光源１１６に加えられる時、光検出器感度の低下が最小となるように最適化される。

図１３及び１４は典型的駆動回路２５０及びレーザーダイオード１１６を、より詳細に示す。図１３の典型的駆動回路２５０は、レーザーダイオード１１６への電気入力信号２６のＡＣ結合を含んでおり、値を変動、即ち、抵抗Ｒ３及びＲ４を変動させることによって最小クロストークペナルティ（例えば、レーザーダイオード１１６へ電気入力信号２６を加えている間の最大フォトダイオード感度）に最適化することが出来る。別の方法としては、Ｒ７及びＲ８、Ｒ１及びＲ２、あるいは上記三つの抵抗対の様々な組合せを、最小クロストークペナルティが達成されるように変えることが出来る。仮にＲ１/Ｒ２、またはＲ７/Ｒ８を変えると、当該周波数レンジに対して、レーザー陽極及び陰極電圧の適切な位相整合を維持するために、関連するリアクタンス素子もまた変えなければならなくなる。図１４の典型的駆動回路２５０は、レーザーダイオード１１６への電気入力信号２６のＤＣ結合を含んでおり、値、例えば、抵抗Ｒ１及びＲ２を変化させることによって最小クロストークペナルティに最適化することが出来る。この場合、当該周波数レンジに対してレーザー陽極及び陰極電圧の適切な位相整合を維持するため、リアクタンス素子（例えば、Ｃ１/Ｃ２またはＬ１/Ｌ２）もまた変えなければならなくなる。

光導波路は、通常、基板１０の上に成長、堆積、あるいは他の方法で形成された適切なコアあるいはクラッド材料の一層または多層中に形成される；これらの層は、総称して、光導波路層２０と呼ばれる。基板１０は光導波路層２０の構造的支持体としての役割をする。一層または複数の光導波路層２０の空間的選択処理（堆積、除去、あるいは材料の変更による）は光導波路を規定する；これらの処理された層（あるいはこれらの層の処理された領域）は、しばしば、導波路クラッデングとしての役割を果たす周囲の層よりも幾分高い屈折率を有する導波路コアの役割を果たす。典型的な導波路基板はクラッド層のみを有する領域と、クラッド層に加えて一層または複数のコア層を有する領域を含んでいる。マルチコア導波路を有する基板のある例では、違う領域は存在するコア層が異なった数を有し、導波路は、通常、全てのコア層が存在するこれらの領域によって規定されている。本開示の範囲内で、多くの他のコア/クラッデング構成を採用することができる。

光源１１６は基板１０の上に、あるいは導波路層２０の一層または複数の層上に配置され、また、光信号（または、少なくとも光信号の第一部分１６、これ以降、出射光信号１６と呼ぶ）が、実質的に導波路１０６によって二つの左右面に閉じ込められる光導波モードとして、光導波路１０６に沿って伝播するように出射されるよう配置される。光信号の第二の、迷光部分３６（これ以降、迷光信号３６と呼ぶ）は、光導波モードの導波路１０６によって閉じ込められることなく、光源１１６から光導波路層２０の中を伝播する。光源１１６は光信号１６あるいは３６の源となり；基板１０または光導波路層２０の上に形成あるいは実装される、レーザーダイオードまたは発光ダイオード、光ファイバー、別の基板上の他の導波路、あるいはビームスプリッターまたはトラップを含み、且つ、これらには限定されない。

図１５及び１６の典型的な実施例では、第一集光器３１０aは、光源１１６から発散する迷光信号３６のある部分を反射あるいは方向を変えて、ライトトラップ３２０の開口部３２４に向けて収束させるように、湾曲している。集光器３１０aは、例えば、楕円の一つの焦点近くに配置された光源１１６、及びその楕円の他の焦点近くに配置されたライトトラップ３２０の開口部３２４を有する楕円の一部で近似される。集光器３１０aの配置は典型的なものであり；湾曲した集光器面の他の配置を採ることが可能である。

ここに開示された集光器及びライトトラップは、導波路基板上の光導波路を使って実現される多種多様の光電子装置に広く使うことが出来る。そのような例の一つが図２０に模式的に示されており、ビームスプリッター１１０と１１１、及び光検出器１１４と１１８を有している。光源１１６は光導波路１０６に沿って伝播する出射光信号１６を発する。部分１８はビームスプリッター１１１によって分離され、光検出器１１８へ向けられる。光検出器１１８からの電気信号は、例えば、光源１１６のフィードバック制御に使うことが出来る。出射光信号１６の残りの部分は、装置から離れるまで光導波路１０６に沿って伝播する。装置へ入ってくる入射光信号１４は、ビームスプリッター１１０によって光検出器１１４へ向けられるまで光導波路１０６に沿って伝播する。光検出器１１４/１１８のどちらの性能も、光導波路層２０を伝播する迷光信号３６によって影響され；これらの影響は集光器３１０やライトトラップ３２０の存在によって低減あるいは除去することが出来る。ビームスプリッター１１０/１１１は、本開示及び添付の請求項の範囲で、様々な適切な方法で実施することが出来る。導波路ビームスプリッターあるいは導波路トラップを採用することが可能である（例えば、すでに参照によって取り入れられている共有特許及び共有出願に開示）。あるいは、光導波路１０６は、光信号１４、１６、あるいは１８が自由空間光ビーム（即ち、導波モードでなく）として伝播することのできる間隙を含むことが出来る。ビームスプリッターは、種々の自由空間光信号が他の導波路に沿って伝播するように仕向けるために、導波路の区分の間に挿入することが可能である（例えば、すでに参照により取り入れられている共有特許及び共有出願に開示）。ビームスプリッター１１０/１１１は、実用に供されているが、それ自身が光源１１６として及び迷光信号３６の源として作用することに注意すべきである。光導波路のビームスプリッターから生ずる迷光信号の伝播を低減するために、一つあるいは複数の集光器３１０あるいはライトトラップ３２０を備えることが望ましく、その実施は本開示及び添付の請求項の範囲に属する。

Claims

導波路基板と、
前記導波路基板上の光導波路層と、
前記光導波路層から形成された光導波路であって、対応する光導波モードを実質上閉じ込めるように配置される前記光導波路と、
前記導波路基板上の配線と、
前記導波路基板上又は前記光導波路層に配置され、前記配線から受けた電気入力信号に応じて前記光導波路に光信号を発する光源と、
前記導波路基板上又は前記光導波路層に配置され、前記光導波路から受けた光入力信号に応じて電気信号を生成して前記配線へ伝達する光検出器と、
少なくとも前記光源、前記光検出器及び前記配線を封止するように配置された保護封止材料と、
を有し、
前記保護封止材料は中空誘電微小球体及び光吸収体を含み、
前記保護封止材料中に存在する好ましくない電気信号から生ずるクロストークペナルティを、前記保護封止材料中に前記中空誘電微小球体を含まない場合のクロストークペナルティよりも低いレベルに低減するように、かつ、前記保護封止材料中に存在する好ましくない光信号から生ずるクロストークペナルティを、前記光吸収体を含まない場合のクロストークペナルティよりも低いレベルに低減するように、前記中空誘電微小球体及び前記光吸収体が前記保護封止材料中に分散された双方向光電子装置。
前記光導波路層から形成された集光器であって、前記光導波路層の側面及び当該側面上の実質上不透明なコーティングから構成される前記集光器と、
前記光導波路層から形成されたライトトラップであって、前記光導波路層の側面及び当該側面上の実質上不透明なコーティングから構成される前記ライトトラップと、
を有し、
前記ライトトラップの側面は前記光導波路層の対応する螺旋領域を規定するように配置され、前記螺旋領域は前記ライトトラップの開口部及び閉口端を含み、
前記集光器の側面は、前記開口部を通過して前記ライトトラップの中へと迷光信号を伝播するように配置され、
前記集光器及びライトトラップの少なくとも一部が前記保護封止材料によって封止されている請求項１に記載の双方向光電子装置。
前記集光器は前記ライトトラップの開口部に設けられた少なくとも三つの集光器であり、第一集光器と第三集光器に挟まれるように第二集光器が設けられており、前記第三集光器は、前記第一集光器及び前記第二集光器よりも前記ライトトラップの閉口端の近くに配置されかつ前記ライトトラップと一体に形成されている一方、前記第一集光器及び前記第二集光器は前記ライトトラップと別体に形成されており、
前記光導波路は前記ライトトラップにおいて螺旋を巻く方向へと湾曲した湾曲部分を有し、前記光導波路は前記湾曲部分から見て前記光源側で前記第一集光器と前記第二集光器の間を通過し、かつ、前記光導波路は湾曲部分から見て前記光源から離れた側で前記第一集光器と前記ライトトラップの間を通過するように設けられており、
前記第一集光器の前記側面は、前記ライトトラップにおいて螺旋を巻く方向へと湾曲している請求項２に記載の双方向光電子装置。
前記集光器及び前記ライトトラップの前記側面は、前記光導波路層のエッチング端から構成される請求項２又は３に記載の双方向光電子装置。
前記集光器及び前記ライトトラップの前記側面の前記実質上不透明のコーティングは、反射性あるいは吸収性を有する金属層を含む請求項２〜４のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記第一集光器の前記側面における湾曲形状を延長してなる楕円の一つの焦点に前記光源が配置され、前記楕円のもう一つの焦点に前記ライトトラップの開口部が配置される請求項３に記載の双方向光電子装置。
前記光源及び前記光検出器は共通の導波路基板上に互いに２ｍｍ以内に配置された請求項１〜６のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記光源及び前記光検出器は、端から端の寸法が１０ｍｍ未満の共通の導波路基板上に配置された請求項１〜７のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記光検出器は３ｄＢより小さいクロストークペナルティを示す請求項１〜８のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記中空誘電微小球体は、前記保護封止材料の誘電率が１．７から２．５の範囲となる量が存在する請求項１〜９のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記中空誘電微小球体は、前記中空誘電微小球体を含む前記保護封止材料の平均誘電率が、前記中空誘電微小球体を含まない前記保護封止材料の誘電率よりも２５％から５０％低くなる量が存在する請求項１〜１０のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記光吸収体は前記保護封止材料中に分散された炭素粒子から構成され、前記保護封止材料は重量で０．１％から２％の炭素粒子を含み、
前記保護封止材料は体積で２５％から５０％の前記中空誘電微小球体を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記中空誘電微小球体は４０μｍから７０μｍの範囲の中央径を有する請求項１〜１２のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記中空誘電微小球体は中空シリカ微小球体から構成される請求項１〜１３のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記保護封止材料はシリコーン、エポキシ、あるいはポリウレタンポリマーから構成される請求項１〜１４のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記双方向光電子装置内における自由光路の一つ又は複数の区分を満たし、前記保護封止材料の下の前記光源及び前記光検出器の部分を封止するように配置された光封止材料を更に有する請求項１〜１５のいずれかに記載の双方向光電子装置。
前記光吸収体は、前記保護封止材料の減衰係数κが前記光源及び前記光検出器の動作波長域に対して１ｃｍ^−１から２００ｃｍ^−１の範囲となる量が存在する請求項１〜１６のいずれかに記載の双方向光電子装置。