JP2014052533A - 光受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく光回路と受光素子との間および受光素子と電気増幅回路との間の２箇所の接続点の両方での特性劣化とを防止して、信号特性劣化が抑制された光受信モジュールを提供する。
【解決手段】光受信モジュール１は、入力導波路９から入力された光信号を出力端面の鉛直方向に対して所定角度θｗｇだけ傾けて形成された導波路から出力する光回路１０と、入力面が光回路の出力端面と平行となるように光回路の出力端面に設けられ、光回路から出力された光信号を出力面の鉛直方向に対してレンズ中心軸が傾けて形成されたレンズから出力するレンズアレイ１２と、受光面がレンズアレイの出力面と平行となるように配置され、レンズアレイから出力された光信号を受光面で受光して光電変換して電気信号を出力する受光素子１４と、受光素子と近接して配置され、受光素子から出力された電気信号を電気信号処理して出力する高周波電子回路１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は光受信モジュールに関する。

通信容量の大型化を図るべく１００Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上の超高速光伝送システムの実現に向けて、様々な光通信装置が開発されつつある。１００Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上の超高速光伝送システムに用いられる光通信装置として、デジタルコヒーレント技術を利用した光通信装置が注目されている。このようなデジタルコヒーレント技術を利用した光通信装置で用いられる光受信モジュールとしては、例えば特許文献１に記載の光モジュールが知られている。この光モジュールは、ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ：光回路）の出力端面の光導波路を、熱膨張による受光素子の相対的な変位方向に合わせて斜めに配置して構成されている。

特開２０１１−２０３３７７号公報 特許第４５９９５６９号公報 特開２００９−００８９５２号公報 特開２０１１−１９１６４７号公報

また近年では、光モジュールの小型化の要請から、光回路の出力に受光素子を近接して一体固定した構成が提案されている（特許文献２）。この光モジュールでは、光回路から受光素子への入射光が光回路と受光素子との界面で反射されて光回路側に戻るため、光信号が劣化してしまうおそれがある。

また、反射による信号特性劣化を改善するための技術として特許文献３、４に記載された技術が知られている。特許文献３に記載の光モジュールでは、受光素子の受光面の鉛直方向が光導波路に対して傾くように構成している。具体的には、受光素子を搭載したパッケージをキャリアに対して斜めに固定して、光信号の入出力に伴い発生する反射光を抑制し、結合損失を低減している。この光モジュールでは、受光素子のパッケージをキャリアに対して斜めに固定しているので、受光素子と接続される高周波電子回路との距離が大きくなるためインダクタンスが増加して高周波特性が劣化するおそれがある。特許文献４には、光回路の出力導波路を斜めに構成し、光回路の出力端に取り付けられたレンズアレイでの反射を抑制する光モジュールが記載されており、出力導波路を斜めにすることでレンズ端からの反射は抑制可能であるが、受光素子からの反射は解決されない。

このように上記いずれの技術でも、光回路と受光素子との間および受光素子と電気増幅回路との間の２箇所の接続点の両方での特性劣化を防止することができていなかった。

本発明は上記問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、大型化することなく光回路と受光素子との間および受光素子と電気増幅回路との間の２箇所の接続点の両方での特性劣化とを防止して、信号特性劣化が抑制されたモジュールを提供することである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、入力された光信号を出力端面の鉛直方向に対して傾けて形成された導波路から出力する光回路と、入力面が前記光回路の出力端面と平行となるように前記光回路の出力端面に設けられ、前記光回路から出力された光信号を出力面の鉛直方向に対してレンズ中心軸が傾けて形成されたレンズから出力するレンズアレイと、受光面が前記レンズアレイの出力面と平行となるように配置され、前記レンズアレイから出力された光信号を受光面で受光して光電変換して電気信号を出力する受光素子と、前記受光素子と近接して配置され、前記受光素子から出力された電気信号を電気信号処理して出力する高周波電子回路とを備えたことを特徴とする光受信モジュールである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光受信モジュールにおいて、前記レンズアレイ内の個々のレンズがレンズ中心軸に対し対称な２乗分布型屈折率特性を有するレンズであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光受信モジュールにおいて、前記レンズアレイの入力面もしくは出力面の少なくとも一方に、低反射膜を備えていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光受信モジュールにおいて、前記光回路と前記高周波電子回路とを載置する台座をさらに備え、前記受光素子の電気出力端子と前記高周波電子回路の電気入力端子とが同じ高さ位置となるよう、前記台座の高さが調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、大型化することなく光回路と受光素子との間および受光素子と電気増幅回路との間の２箇所の接続点の両方での特性劣化とを防止して、信号特性劣化が抑制された光受信モジュールを提供することができる。

本発明にかかる光受信モジュールの配置構成を示す上面図である。 図１の光受信モジュールの側断面図である。 レンズアレイのレンズの屈折率特性を示す図である。 光回路から受光素子までの光の伝搬の様子を示す図である。 レンズアレイの作製方法について説明するための図である。 レンズアレイの他の構成を示す図である。 受光パッケージ部分の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は本発明にかかる高速光受信モジュールの配置構成を示す上面図であり、図２は図１の高速光受信モジュールの側断面図である。高速光受信モジュール（単に光受信モジュールともいう）１は、台座２０上に、入力導波路９から入力された光信号を光信号処理するＰＬＣ等の光回路１０と、光回路１０から出力光を受光して電気信号に変換する受光素子１４と、光回路１０と受光素子１４との光接続を行うレンズアレイ１２と、受光素子１４で変換された電気信号を電気信号処理する高周波電子回路１６とが搭載されて構成されている。

光回路１０は、一端に設けられた入力導波路９から入力された光信号を導波路により光信号処理し、処理された光信号を他端に設けられた導波路の出力端１８から出力する平面導波回路である。この光回路の導波路の出力端１８は、光回路の出力端面に鉛直方向に対して所定角度θｗｇを有するよう傾けて構成されている。光回路１０の出力側の上部には、レンズアレイ１２との接続を補強するためにヤトイ１１が設けられている。なお、本実施形態では光回路１０の導波路は複数設けられている。

レンズアレイ１２は、光回路１０の出力端面に平行な入力面および出力面と、この入力面から裏側となる出力面に亘って設けられたレンズ１９とを有している。レンズアレイ１２のレンズ１９は、光回路１０から出力された光信号が光接続されるように光回路１０の導波路の出力と光軸あわせされて、光回路１０に接合されている。レンズ１９は入力面の裏面となる出力面に貫通して設けられており、入力面から入力された光信号が出力面から出力されることとなる。レンズアレイ１２は、任意の接着剤により光回路１０と接合することができ、例えばＵＶ接着剤を用いて光回路１０の出力面に貼り付けられている。

ここで、レンズアレイ１２のレンズの屈折率特性について図３に基づいて説明する。図３には、３つのレンズ１９を有するレンズアレイの厚さＬ方向における屈折率特性ｎの変化の様子を示している。図示左側が入力面側であり、図示右側が出力面側である。図３に示すように、入力面側から出力面側に変位するに従ってレンズ中心となる屈折率の最高点が図示上方向にずれている。このズレの程度は角度θｌｅｎｓである。このように本発明のレンズアレイ１２は、その厚さ方向に沿ってそのレンズ中心が角度θｌｅｎｓを有するように屈折率が変化した構成となっている。従って、入射された光信号はレンズアレイ１２内部を入力面および出力面に対して斜めに伝搬し、出力されることとなる。また、θｌｅｎｓは、レンズ１９の材料が光回路の導波路と同じ場合はθｗｇと等しく構成されるが、材料が異なる場合は、より多くの光信号がレンズ１９に入射されるようにθｌｅｎｓを調整する。

ここで、屈折率特性nの形状をより詳細に説明する。図４は光回路１０から受光素子１４までの光の伝搬の様子を示す図である。屈折率特性nの最適な形状は、各厚さにおいて２乗分布となり、２乗分布の中心が角度θlensで厚さ方向に変化する。図４に示すように、出力端１８から出力される光はレンズ１９への入射直後では回折しながら拡大するが、レンズ機能により再び集光され、受光素子１４において結像される。この際、レンズ１９の屈折率形状が２乗分布型ならば、出力端１８から出力される光が、理想的に受光素子１４の受光面１４ａに集光され、最も損失なく受光できる。レンズ１９の屈折率分布が正確に２乗分布でなくとも集光性能を実現でき、受光素子１４の受光面１４ａ内に光を集光できれば問題ないが、集光性能が劣悪な場合、光回路１０から出力される導波路の光の一部が受光面１４ａ内以外の場所にも漏れてしまい、損失増加につながる。

レンズアレイ１２は、例えば図５に示す方法で作成できる。図５では４つのレンズ１９を有するレンズアレイ１２を作成する。Ｖ溝が形成されたＶ溝アレイ２２に複数の屈折率分布型ファイバ（ＧＲＩＮファイバ等）２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを並べて、平板状のリッド２３で挟みこみ（図５（ａ））、ＵＶ接着剤Ｐ等を流し込んで接着固定する（図５（ｂ））。図５（ｂ）の一点鎖線で示す箇所、すなわち接着固定したアレイを複数のファイバ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの光軸に対して斜めとなる箇所で切り出すと、複数のレンズ１９の厚さ方向に沿ってそのレンズ中心が入力面の鉛直方向に対して角度θｌｅｎｓを有するレンズアレイ１２が得られる（図５（ｃ））。切り出す長さはレンズアレイ１２のレンズ１９となる長さに応じて調整する。レンズアレイの端面は、それぞれ空気あるいは光回路１０と、接することになるが、屈折率の違いにより境界面を透過する際には、反射による損失が僅かながら発生する。これを防ぐためには、各境界面での反射損失が小さくなるように無反射コーティングを施すことも、有効である。一般的には、シリカガラス、タンタルガラス等の異なる材料を多層に形成し、反射損失を低減する。

レンズアレイ１２のレンズ１９の断面は、円形でなくても、図６に示すように四角形であってもよい。例えば図６に示すように、レンズ１９として屈折率分布型ファイバに代えて、平面型ガラス導波路等のアレイを用いて構成することもできる。平面型ガラス導波路がステップインデックス型導波路として形成される場合、高温熱処理することにより熱拡散してレンズ機能を発現することもできる。

図１、２に戻って、受光素子１４は、受光面で受光した光信号を電気信号に変換する素子であり、例えばＰＤ（フォトダイオード）を用いることができる。受光素子１４は、受光パッケージ１５に搭載されており、レンズアレイ１２の出力光が受光面に入射されるように位置合わせされて、受光パッケージ１５を介してレンズアレイ１２の出力面に固定されている。

図７は受光パッケージ１５部分の構成を示す図である。図７に示すように、受光パッケージ１５の受光素子１４が設けられた面には固定用部材１３が設けられている。受光パッケージ１５は、固定用部材１３をレンズアレイ１２の出力面に接合することにより、受光素子１４をレンズアレイ１２に対向して固定している。受光素子１４の受光面は、レンズアレイ１２の出力面と平行になるように位置合わせされている。また、受光パッケージ１５には、図７に示すように、受光素子１４に電気的に接続された高速配線が形成されている。

高周波電子回路１６は、受光素子１４から出力された電気信号を電気信号処理して、高速光受信モジュール１の出力信号として出力するための回路である。高周波電子回路１６は、受光パッケージ１５に形成された高速配線とボンディングワイヤ１７を用いて接続されており、受光素子１４と高周波電子回路１６とが電気的接続が図られている。また、高周波電子回路１６を載置する台座２０の部分は他の部分よりも高く形成されている。具体的には、高周波電子回路１６の電気入力端子と受光パッケージ１５の電気出力端子（高速配線）が同じ高さ位置となるよう構成される。この構成により信号配線（ボンディングワイヤ１７）を短くできるので、インダクタンスの増加による高周波特性の劣化を抑制できる。また、信号配線を短くする観点から、高周波電子回路１６と受光パッケージ１５とはできるだけ近接して実装されることが好ましい。理想的には高周波電子回路１６と受光パッケージ１５とを熱膨張したときの空間を空けてできるだけ近接して実装することが好ましい。台座２０は、複数部品からなる場合が多く、例えば、光回路１０が固定されている付近は熱膨張や台座剛性を考慮した金属等で構成され、高周波電子回路１６が固定されている付近は、高周波特性や放熱性が考慮された高周波配線付セラミック基板で構成される。

以上のように構成した高速光受信モジュール１では、まず、入力導波路９から光回路１０に光信号が入力されると光回路１０で光信号処理される。光回路１０で信号処理された光信号は、光回路１０の出力端面の鉛直方向に対して角度θｗｇを有する導波路から出力され、レンズアレイ１２のレンズ１９に入射される。レンズアレイ１２の入力面は光回路１０の出力端面と平行に固定されているので、レンズアレイ１２に入射される光信号は、レンズアレイ１２の入力面の鉛直方向に対して所定の角度θｗｇを有している。よって、光回路１０の出力端面とレンズアレイ１２の入力面との界面で反射された光信号は、光回路１０の導波路へ再結合することがなく戻り光とはならない。また、隣接する導波路に反射された光信号が入力されても、導波路の向きが反射された光信号に向いていないので、導波路に再結合されにくく、戻り光になりにくい。

次にレンズアレイ１２のレンズ１９に入射された光信号はレンズ１９内を伝搬した後、レンズアレイ１２の出力面の鉛直方向に対してレンズ中心軸が所定の角度θｌｅｎｓを有するレンズ１９から出力される。よって、レンズアレイ１２と空気の界面で反射された光信号は、レンズアレイ１２のレンズ１９に再結合することがなく、戻り光とはならない。また、隣接するレンズ１９に反射された光信号が入力されても、レンズ１９の向きが反射された光信号に向いていないので、レンズ１９に再結合されにくく、戻り光になりにくい。

さらに、受光素子１４の受光面は、レンズアレイ１２の出力面と平行に設けられており、レンズ１９から出力された信号光は受光素子１４の受光面の鉛直方向に対して所定の角度傾いて入射されることとなる。よって、空気と受光素子１４の受光面との界面で反射された光信号は、レンズアレイ１２のレンズ１９に再結合されず、戻り光とならない。

また、受光素子１４の受光面を、光回路１０の出力面やレンズアレイ１２の出力面と平行な向きから傾ける必要がないので、受光素子１４を保持する受光パッケージ１５を光回路１０の出力端に設けることができる。受光素子１４を保持する受光パッケージ１５を特別な構成とする必要がないので、受光素子１４を保持する受光パッケージ１５と高周波電子回路１６の配線を長くする必要がなく、高周波特性の劣化を防止できる。

以上の実施形態では、１つの光回路１０に対して受光素子１４を１つだけ用いた光受信モジュールの構成を例に挙げて説明したが、１つの光回路１０に対して受光素子１４を複数用いて光受信モジュールを構成してもよい。この場合、複数の受光素子１４の前段にあるレンズアレイ１２のレンズ１９は受光面の鉛直方向に対して同一方向に傾いて構成される。

１ 光受信モジュール
９ 入力導波路
１０ 光回路
１１ ヤトイ
１２ レンズアレイ
１３ 固定用部材
１４ 受光素子
１５ 受光パッケージ
１６ 高周波電子回路
１８ 導波路の出力端
１７ ボンディングワイヤ
１９ レンズ
２０ 台座
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ ファイバ
２２ Ｖ溝アレイ
２３ リッド
Ｐ ＵＶ接着剤

Claims (4)

1. 入力された光信号を出力端面の鉛直方向に対して傾けて形成された導波路から出力する光回路と、
   入力面が前記光回路の出力端面と平行となるように前記光回路の出力端面に設けられ、前記光回路から出力された光信号を出力面の鉛直方向に対してレンズ中心軸が傾けて形成されたレンズから出力するレンズアレイと、
   受光面が前記レンズアレイの出力面と平行となるように配置され、前記レンズアレイから出力された光信号を受光面で受光して光電変換して電気信号を出力する受光素子と、
   前記受光素子と近接して配置され、前記受光素子から出力された電気信号を電気信号処理して出力する高周波電子回路とを備えたことを特徴とする光受信モジュール。
2. 前記レンズアレイ内の個々のレンズがレンズ中心軸に対し対称な２乗分布型屈折率特性を有するレンズであ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. 前記レンズアレイの入力面もしくは出力面の少なくとも一方に、低反射膜を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の光受信モジュール。
4. 前記光回路と前記高周波電子回路とを載置する台座をさらに備え、前記受光素子の電気出力端子と前記高周波電子回路の電気入力端子とが同じ高さ位置となるよう、前記台座の高さが調整されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光受信モジュール。

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