JP2014174332A

JP2014174332A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2014174332A
Application number: JP2013046901A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Hatta; 竜夫八田; Hiromitsu Itamoto; 裕光板本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-09-22
Also published as: US9335495B2; US20140254973A1

Abstract

【課題】損失を低減し、高品質の光出力を得ることができる光モジュールを得る。
【解決手段】発振波長の異なる複数のレーザダイオード１が並列に配置されている。複数の光導波路７は、複数のレーザダイオード１にそれぞれ対向して並列に配置されている。光スイッチ８は、複数の光導波路７からの光を選択して出力する。光変調器９は、光スイッチ８の出力光を変調する。光アイソレータ５は、複数のレーザダイオード１と複数の光導波路７との間に挿入され、複数の光導波路７から複数のレーザダイオード１に向かう反射戻り光を減衰させる。コリメータレンズ３と集光レンズ４は、複数のレーザダイオード１の出射光を光アイソレータ５を介して複数の光導波路７にそれぞれ結合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インターネットや電話のインフラとなる光通信システムで用いられる光モジュールに関する。

従来の光モジュールでは、１２本の並列なレーザダイオードを光カプラにより光学的に結合する。このため、原理的に結合後の光出力が１／１２になる。この損失を補償するために光増幅器が集積されている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、光増幅器を用いることで消費電力が増大する。また、光増幅器がチップ内部で生じる有害な反射戻り光も増幅してレーザダイオードに再入射させるため、その反射戻り光の強度や位相に応じてスペクトル線幅が複雑に変動する。

そこで、レーザダイオードと光スイッチをアレイ状に対向配列して光学的に接合させ、光スイッチで光路を切り替える光モジュールが考案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１５４３２５号公報

古河電工時報第１２１号（平成２０年３月）、１〜４頁

屈折率３．５程度でモードフィールド半径が１μｍ程度のレーザダイオードと、屈折率２．１程度でモードフィールド半径が５μｍ程度の光スイッチのＬｉＮｂＯ_３光導波路とを光学的に結合させると、モードミスマッチによる損失が発生する。このため、レーザダイオードと光導波路の損失ばらつきが大きくモジュール全体としての損失が増加していた。

また、光導波路からレーザダイオードに反射戻り光が逆行して到達し、レーザダイオードの線幅が増大する。このため、高品質の光出力を得ることができなかった。

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、その目的は損失を低減し、高品質の光出力を得ることができる光モジュールを得るものである。

本発明に係る光モジュールは、並列に配置され、発振波長の異なる複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードにそれぞれ対向して並列に配置された複数の光導波路と、前記複数の光導波路からの光を選択して出力する光スイッチと、前記光スイッチの出力光を変調する光変調器と、前記複数のレーザダイオードと前記複数の光導波路との間に挿入され、前記複数の光導波路から前記複数のレーザダイオードに向かう反射戻り光を減衰させる光アイソレータと、前記複数のレーザダイオードの出射光を前記光アイソレータを介して前記複数の光導波路にそれぞれ結合させるレンズとを備える。

本発明により、損失を低減し、高品質の光出力を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る光モジュールを示す上面図である。レーザダイオードアレイを拡大した上面図である。変調器素子を拡大した上面図である。制御部を拡大した上面図である。光スイッチと光変調器を構成する干渉計の１つを拡大した上面図である。コリメータレンズ、集光レンズ、及び光アイソレータを拡大した上面図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る光モジュールを示す上面図である。図２は、レーザダイオードアレイを拡大した上面図である。図３は、変調器素子を拡大した上面図である。図４は、制御部を拡大した上面図である。

レーザダイオードアレイとして、発振波長の異なる複数のレーザダイオード１が並列に配置されている。複数のレーザダイオード１は、約３ｎｍずつ異なる波長で発振する１６本のＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザダイオードである。レーザダイオードの電極２は、レーザダイオードアレイの上面側の製造プロセスによりモノリシック集積されている。

焦点距離１ｍｍのコリメータレンズ３が複数のレーザダイオード１の光出射位置に配置されている。焦点距離５ｍｍの集光レンズ４がコリメータレンズ３の出射光路上に配置されている。光アイソレータ５が集光レンズ４の通過光路上に配置されている。集光レンズ４により集光されたレーザ光の集光位置に光変調器素子６が配置されている。

光変調器素子６はシリコンポリマー形成されたポリマー素材の機能デバイスである。光変調器素子６として、複数の光導波路７、光スイッチ８、光変調器９、リング共振器１０、及びこれらを接続する光導波路群が、スピンコートやドライエッチングプロセスにより一括形成され、モノリシック集積されている。

複数の光導波路７は、複数のレーザダイオード１にそれぞれ対向して並列に配置されている。光スイッチ８は、１６個の光導波路７からの光を１つ選択して出力する１６：１光スイッチである。光変調器９は、１００Ｇｂｐｓ用の偏波多重４値位相変調（DP-QPSK: Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）方式の変調器であり、光スイッチ８の出力光を変調する。

集光レンズ１１は、光変調器素子６の出射光を光ファイバ１２に集光する。リング共振器１０が光スイッチ８と光変調器９の間に挿入されている。リング共振器１０を経由した光路の終点に２フォトダイオードアレイ１３が配置されている。これらのリング共振器１０と２フォトダイオードアレイ１３は、光スイッチ８の出力光の波長をモニタする波長モニタである。

制御部１４と複数のレーザダイオード１はワイヤ群１５により電気的に接続され、制御部１４と光変調器素子６はワイヤ群１６により電気的に接続されている。ペルチェ素子１７が、複数のレーザダイオード１の下部に配置され、複数のレーザダイオード１を加熱・冷却する。

また、光スイッチ８と光変調器９は光路を切り替えるという同一の機能を持ち、スイッチング速度が高速の場合が光変調器９、低速の場合が光スイッチ８である。そこで、光スイッチ８は複数段の干渉計により構成し、光変調器９はマッハツェンダ型干渉計により構成してモノリシック集積する。

図５は、光スイッチと光変調器を構成する干渉計の１つを拡大した上面図である。干渉計はポリマーフィルムに周囲より屈折率の高い領域を埋め込んだ光導波路群と光スイッチ電極１８を有する。光導波路群は、第１の入力光導波路１９、第２の入力光導波路２０、出力光導波路２１、及びその間を結ぶマッハツェンダ型干渉計導波路２２である。

このポリマーフィルムの素材は出力電圧を加えると屈折率が変化する。マッハツェンダ型干渉計導波路２２は並列に接続された２つの光導波路を有し、２つの光導波路間の位相差は光スイッチ電極１８に印加される電圧により変わる。この位相差によって、出力光導波路２１と第１の入力光導波路１９又は第２の入力光導波路２０との接続を切り替えることができる。

図６は、コリメータレンズ、集光レンズ、及び光アイソレータを拡大した上面図である。光アイソレータ５は、複数のレーザダイオード１と複数の光導波路７との間に挿入され、複数の光導波路７から複数のレーザダイオード１に向かう反射戻り光を減衰させる。ここで、デジタルコヒーレント光通信システムでは、スペクトル線幅５００ｋＨｚ以下が必要とされており、この光を生成するには光アイソレータ５のアイソレーションとして６０ｄＢ以上が求められる。そこで、光アイソレータ５による反射戻り光に対する減衰量は６０ｄＢ以上である。コリメータレンズ３と集光レンズ４は、複数のレーザダイオード１の出射光を光アイソレータ５を介して複数の光導波路７にそれぞれ結合させる。

続いて、本実施の形態に係る光モジュールの動作について説明する。まず、外部のシステムから制御部１４に１６本のレーザダイオード１の１つだけを選択する５ビットのデジタル信号が入力される。次に、制御部１４は、発光させたい波長に対応した１つのレーザダイオード１だけに３００ｍＡ〜４００ｍＡの電流を流してＯＮとし、それ以外のレーザダイオード１をＯＦＦとする。ＯＮしたレーザダイオード１が特定の波長で発光する。この光は、コリメータレンズ３と集光レンズ４でスポットサイズ５倍のビーム径に拡大され、光変調器素子６の光スイッチ８の１６本のアームの該当部分に損失なく結合される。

制御部１４は、ＯＮしたレーザダイオード１の出射光が低損失で出力されるように、光スイッチ８の電極に電圧を印加する。これにより、レーザダイオード１の出射光は光変調器９に低損失で送り込まれる。

光変調器９は受け取った光を１００Ｇｂｐｓの位相変調信号に変換する。この位相変調信号は集光レンズ１１により光ファイバに導波され、図示されていない光ファイバ長距離通信網へと出力されていく。

このように光モジュールは、１６本のレーザダイオード１の１つだけを選択することでＣ帯の任意の波長を選択し波長可変光源として機能する。ただし、伝送路の要求する波長に高精度に合わせるためには波長のファインチューニングが必要である。このために、ペルチェ素子１７と波長モニタが必要となる。

波長モニタには５０ＧＨｚ周期で透過率が変わるリング共振器１０の透過光を用いる。リング共振器１０の透過光と、非透過光を同時に２フォトダイオードアレイ１３で受信する。これにより、波長に依存した電気信号を取得し、ペルチェ素子１７の加熱・冷却機能にフィードバックをかけて発振波長をＩＴＵ−Ｔの規定する波長グリッドに正確に一致させる。

以上説明したように、本実施の形態では、複数のレーザダイオード１の出力を光スイッチ８により選択する。光スイッチ８は４段の干渉計で構成されており、理論的には無損失も可能であるが、実際には導波路内部の散乱損失等が発生するため２ｄＢ程度の損失が発生する。しかし、光カプラで合成した従来技術で生じる１２ｄＢ以上の損失と比較すると１０ｄＢ以上損失を低減することができる。例えばレーザダイオード１より出射された２０ｄＢｍの光出力は合波後も１８ｄＢｍ程度の光パワーを有する。

また、レーザダイオード１の出射光は約１μｍのスポットから出射され、回折により半値全角で２０〜４０度程度の広がりを持つ。光アイソレータ５は、必ず１ｍｍ程度の伝播光路長が必要である。この１ｍｍの空間的距離を挟んでスポットサイズ１μｍのレーザダイオード１とスポットサイズ５μｍ前後の光導波路７を結合しても、レーザダイオード１の出射光は光アイソレータ５を通過する間に拡散され、光導波路７とほとんど結合しない。そこで、コリメータレンズ３と集光レンズ４が複数のレーザダイオード１の出射光を複数の光導波路７にそれぞれ結合させる。これにより、損失を低減することができる。

さらに、光アイソレータ５が、光導波路７からレーザダイオード１に戻る反射戻り光を防ぐため、レーザダイオード１の線幅の増大を防いで、高品質の光出力を得ることができる。

また、光スイッチ８は、ポリマー導波路の電気光学効果を用いた複数段の干渉計により構成されているため、ＭＥＭＳミラーなどの機械的稼動部が不要であり、外的要因による周波数ノイズや光出力ノイズの懸念がない。

また、光スイッチ８と光変調器９をポリマー素材の干渉計により構成される。従って、両者は同様の構成を有するため、モノリシック集積することができる。これにより、損失とコストを低減することができる。

また、光スイッチ８の出力光の波長をモニタする波長モニタが光変調器９にモノリシック集積されている。これにより、レンズ等の高価な光学系の追加なく波長モニタを構成できるため、光モジュールを小型化し、コストを低減することができる。

なお、一般的な光変調器の素材は半導体やニオブ酸リチウムなどであり、屈折率の安定度が不十分なため、波長モニタの素材として用いられない。このため、従来、光変調器と波長モニタは集積されることはなかった。本実施の形態では、両者の素材として屈折率の安定度が十分なポリマー素材を用いるため、光変調器９と波長モニタを集積できる。

また、波長モニタは、ＤＷＤＭ用光通信に用いられる波長可変光源において必須の構成である。この波長モニタとしてリング共振器１０を用いているため、エタロンやレンズ等の高価な光学系を用いることなく波長モニタを構成することができ、小型化と低コスト化を実現できる。さらに、リング共振器１０を光変調器９の前段に設けることで、線幅の狭い無変調光を高精度にモニタできる。

また、制御部１４は、１つのレーザダイオード１だけをＯＮとし、そのレーザダイオード１の出射光を選択して出力するように光スイッチ８を制御する。従って、１６本のレーザダイオード１に流す電流、及び、１５個の１×２干渉型光スイッチ群からなる光スイッチ８の切替制御を５ビットのデジタル信号だけで確実に切り替えることができる。よって、光モジュールの制御が簡素化されるため、使い勝手が向上し、誤使用を防ぐことができる。

なお、本実施の形態では光変調器９は１００Ｇｂｐｓ用のＤＰ−ＱＰＳＫ変調器であるが、ＯＯＫ（On-Off-Keying）変調器、ＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）変調器、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調器などの他の変調方式やビットレートをサポートする変調器を用いても同様の効果を奏する。

１レーザダイオード、３コリメータレンズ（レンズ）、４集光レンズ（レンズ）、５光アイソレータ、７光導波路、８光スイッチ、９光変調器、１０リング共振器（波長モニタ）、１４制御部

Claims

並列に配置され、発振波長の異なる複数のレーザダイオードと、
前記複数のレーザダイオードにそれぞれ対向して並列に配置された複数の光導波路と、
前記複数の光導波路からの光を選択して出力する光スイッチと、
前記光スイッチの出力光を変調する光変調器と、
前記複数のレーザダイオードと前記複数の光導波路との間に挿入され、前記複数の光導波路から前記複数のレーザダイオードに向かう反射戻り光を減衰させる光アイソレータと、
前記複数のレーザダイオードの出射光を前記光アイソレータを介して前記複数の光導波路にそれぞれ結合させるレンズとを備えることを特徴とする光モジュール。
前記光スイッチは複数段の干渉計により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記光スイッチと前記光変調器とがモノリシック集積されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
前記光変調器にモノリシック集積され、前記光スイッチの出力光の波長をモニタする波長モニタを更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光モジュール。
前記波長モニタは、前記光スイッチと前記光変調器の間に挿入されたリング共振器を有することを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
前記複数のレーザダイオードの１つだけをＯＮとし、そのレーザダイオードの出射光を選択して出力するように前記光スイッチを制御する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光モジュール。