JP2015215555A - 光送信器及び光送信器の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＯＳＡの電気信号伝送経路において入力信号源に戻る反射波を抑制し、光出力波形を改善する。【解決手段】本発明の光送信機は、信号源から発信される電気信号を伝送する第１の伝送路と、光半導体素子を含む高周波回路素子と、高周波回路素子を駆動するための電気信号を伝送する第２の伝送路と、第１の伝送路と第２の伝送路を結合する第３の伝送路とを備え、第２の伝送路を構成する要素の少なくともひとつの特性インピーダンスは第１の伝送路の特性インピーダンスと異なり、第３の伝送路は方向性結合器であり、信号源から第１及び第２の伝送路を介して高周波回路に伝送された電気信号の、所望の周波数における高周波回路による反射波の強度が、信号源から第１乃至第３の伝送路を介して高周波回路に伝送された電気信号の、所望の周波数における高周波回路による反射波の強度よりも、大きいことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、光送信器及び光送信器の制御方法に関し、より詳細には、反射特性を改善した光送信器及び光送信器の制御方法に関する。

近年、クラウドコンピューティングをはじめとする多様なインターネットサービスが実現し、その中核を成すサーバ群を結ぶネットワークの更なる大容量化、高信頼化が要求されている。ネットワークにおける通信速度は１０Ｇｂ／ｓが一般化し、現在ではさらに１００Ｇｂ／ｓで通信可能なシステムが開発され、商用化に成功している。

サーバ群を結ぶネットワークにおける通信システムを構成する部品の一つに、光信号をネットワークに送信する役割を担う光送信モジュールがある。光送信モジュールは、電気信号を光信号に変換して出力する部品で、ＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも呼ばれる。１０ＧｂＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）や１００ＧｂＥｔｈｅｒｎｅｔを使用する通信システムにおいて、ＴＯＳＡを構成する主要な部品には、ＥＡ変調器及びＤＦＢ−ＬＤ等の光半導体素子、電気信号を伝送する伝送路等がある。

図１は、非特許文献１に記載の従来のＴＯＳＡ１００の構成の一例を示す断面図である。図１のＴＯＳＡ１００は、基台１１０と、基台１１０上に配置された高周波配線基板１３０と、基台１１０上に配置された高周波パッケージ１５０と、高周波配線基板１３０と高周波パッケージ１５０との間に接続されたフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）１７０とを備える。高周波配線基板１３０とＦＰＣ１７０とは半田接合部１７１において接続され、ＦＰＣ１７０と高周波パッケージ１５０とは半田接合部１７２において接続される。

なお、フレキシブルプリント回路基板（フレキシブル配線板、ＦＰＣ）は、絶縁性を持った薄く柔らかいベースフィルム（ポリイミド等）と銅箔等の導電性金属を貼り合わせた基材に電気回路を形成した回路基板であり、柔軟性があり大きく変形させることが可能なプリント基板である。

高周波配線基板１３０は、電気信号を発生するための信号源からの信号を伝送する伝送路である。また、高周波パッケージ１５０には、光信号を発生するＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載されている。ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）と電界吸収型変調器（ＥＡＭ）とが集積された半導体素子である。ＥＡＭは、印可電圧に応じて光吸収係数の波長依存性が変化する効果を利用し、印可電圧に応じて、前記ＤＦＢ−ＬＤの出力光を変調する素子である。ＥＡＭは、ｐｎ接合を有しており、空乏層が電気回路的に容量として機能し、空乏層の容量値により応答速度が決定される。

図２は、図１の高周波パッケージ１５０の内部の構成を示す斜視図である。図２の高周波パッケージ１５０は、キャリア１５１と、光半導体素子を搭載するキャリア１５１上のサブキャリア１５２と、電圧の印加によりレーザ光を発振するＤＦＢレーザ１６５と、ＤＦＢレーザ１６５の出力するレーザ光を変調するＥＡＭ１６０とを備える。また、高周波パッケージ１５０は、ＦＰＣ１７０との半田接合部１７２と、電気的に半田接合部１７２と連続する伝送路（フィードスルー伝送路）１５５と、サブキャリア１５２上の伝送路（サブキャリア伝送路）１５７と、フィードスルー伝送路１５５とサブキャリア伝送路１５７とを接続するボンディングワイヤ１５６と、サブキャリア伝送路１５７とＥＡＭ１６０とを接続するボンディングワイヤ１５８とを備える。

図３は、図２の高周波パッケージ１５０内のＥＡＭ１６０の周囲を拡大した斜視図である。高周波パッケージ１５０は、さらにサブキャリア１５２上の終端抵抗１６１と、終端抵抗１６１とＥＡＭ１６０とに接続されたボンディングワイヤ１６２とを備える。

図４はＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ４００の構成を説明する図であり、図４（ａ）はＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ４００の三次元断面の斜視図、図４（ｂ）は、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ４００の上面（基板と反対方向）図である。ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ４００は、ｎ−ＩｎＰ基板４０１と、ｎ−ＩｎＰ基板４０１上のレーザ活性層４０２と、ｎ−ＩｎＰ基板４０１上の光吸収層４０３と、レーザ活性層４０２と光吸収層４０３との間に配置されたバットジョイント４０４と、レーザ活性層４０２及び光吸収層４０３上のｐ−ＩｎＰ層４０５と、ｎ−ＩｎＰ基板４０１上のＳＩ−ＩｎＰ層４０６とを備える。また、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ４００は、レーザ活性層４０２上にｐ−ＩｎＰ層４０５を介して形成されたＤＦＢレーザ用電極４１１と、光吸収層４０３上にｐ−ＩｎＰ層４０５を介して形成されたＥＡＭ用電極４１２とを備える。ＥＡＭ用電極４１２にはボンディングワイヤ１５８を打つためのパット電極４１３が設けられ、ＤＦＢレーザ用電極４１１とＥＡＭ用電極４１２との間には分離溝４１４が設けられている。

ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ４００は、図４（ａ）に示すように、ＤＦＢレーザ１６５とＥＡＭ１６０とをｎ−ＩｎＰ基板４０１上に集積したものである。レーザ活性層４０２と光吸収層４０３とはともにＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造からなり、バットジョイント４０４によって接続されている。レーザ活性層４０２と光吸収層４０３との上にはｐ−ＩｎＰ層４０５が形成され、メサ状に加工されたのち、ＳＩ（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）−ＩｎＰ４０６によって埋め込まれている。レーザ活性層４０２の長さは例えば４５０μｍ、光吸収槽４０３の長さは例えば１５０μｍである。

ここで、図１のＴＯＳＡ１００を、分布定数線路により電気信号が介在する部品をモデル化して示す。図５は、図１〜図３において記載したＴＯＳＡ１００を、電気信号が介在する部品をモデル化して示すブロック図である。図５に記載のＴＯＳＡ１００においては、信号源１３１からの電気信号を、高周波配線基板１３０を介してＥＡＭ１６０に伝送する伝送経路として、半田接合部１７１及び１７２と、ＦＰＣ１７０と、フィードスルー伝送路１５５と、サブキャリア伝送路１５７と、フィードスルー伝送路１５５とサブキャリア伝送路１５７とを結ぶボンディングワイヤ１５６と、サブキャリア伝送路１５７とＥＡＭ１６０を結ぶボンディングワイヤ１５８とが用いられている。また、ＴＯＳＡ１００の基準となるインピーダンス（通常５０Ω）を半田接合部１７１と信号源１３１との間に表す（特性インピーダンス１３２）。伝送経路終端部には、基準インピーダンス５０Ω系と整合させるため、終端抵抗１６１と、終端インダクタンス１６２とを付加する。

ＥＡＭ１６０は、電極部１８１と、クラッド層の抵抗１８２と、クラッド層の抵抗１８２と直列に接続されたコア層の容量を１８３と、電気信号を光信号に変換する電気／光変換部１８４と、受光電流の電流源１８５とを付加した等価回路で表す。

実際には、ＴＯＳＡ１００は、ＥＡＭ１６０のほかにＥＡＭ１６０に連続光を照射するＤＦＢレーザ１６５も備えているが、ＤＦＢレーザは基本的に直流電流のみで動作するので、高周波応答における特性インピーダンスの影響を考える場合には考慮しなくてよい。

Takatoshi Yagizawa and Tadashi Ikeuchi, "Compact 40-Gb/s EML Module using broadband FPC connection technique", 2010 Conference on Optical Fiber Communication - OFC 2010 Collocated National Fiber Optic Engineers Conference OFC/NFOEC 2010, San Diego, CA, USA, OThC3

前述の、電気信号の伝送経路の各要素は、特性インピーダンスを持つが、電気信号が最も効率良く伝送する（信号源に戻る反射波が存在しない）ためには、各要素の特性インピーダンスが、基準インピーダンス（本例では５０Ω）と一致していなければならない。しかしながら、ＥＡＭの空乏層容量、伝送路間のボンディングワイヤインダクタンス、ＦＰＣ等がインピーダンス不整合の原因となり、電気信号伝送経路において反射波が生じ、結果として信号が劣化するという課題がある。

したがって、本発明は、反射波により電気信号伝送経路において信号が劣化するという課題を解決するために、入力信号源に戻る反射波を抑制し、光出力波形を改善する光送信機及びその制御方法を提供する。

本発明の第１の態様は、信号源から発信されるｆ（Ｇｂ／ｓ）の電気信号を伝送する第１の伝送路と、光半導体素子を含む高周波回路素子と、前記高周波回路素子を駆動するための電気信号を伝送する第２の伝送路と、前記第１の伝送路と前記第２の伝送路を結合する第３の伝送路とを備える光送信器であって、前記第２の伝送路を構成する要素の少なくともひとつの特性インピーダンスは前記第１の伝送路の特性インピーダンスと異なり、前記第３の伝送路は方向性結合器であり、前記信号源から前記第１及び第２の伝送路を介して前記高周波回路に伝送された電気信号の、前記高周波回路による反射波の大きさが、前記信号源から前記第１乃至第３の伝送路を介して前記高周波回路に伝送された電気信号の、前記高周波回路による反射波の大きさよりも、所望の周波数において大きいことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光送信機であって、前記所望の周波数はｆ（ＧＨｚ）、ｆ／２（ＧＨｚ）又はｆ／３（ＧＨｚ）のいずれかを含むことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１の態様の光送信器であって、前記光半導体素子は、電界吸収型光変調素子であることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１の態様の光送信器であって、前記方向性結合器は、ＬＣフィルタから構成されることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第４の態様の光送信器において、前記電気信号の反射波の強度を検出する検出部を設け、前記検出部で検出された反射波の強度を低減するように、前記ＬＣフィルタのインダクタンス及び容量の値を制御することを特徴とする制御方法である。

方向性結合器をＴＯＳＡの電気信号伝送経路間に挿入することで、入力信号源に戻る反射波が抑制される。

従来のＴＯＳＡの構成の一例を示す断面図である。 図１のＴＯＳＡの高周波パッケージの内部の構成を示す斜視図である。 図２の高周波パッケージのＥＡＭの周囲を拡大した斜視図である。 図３のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの構成を説明する図であり、図４（ａ）はＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの三次元断面の斜視図、図４（ｂ）は、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの上面図である。 図１〜図３において記載した従来のＴＯＳＡを、分布定数線路により電気信号が介在する部品をモデル化して示すブロック図である。 本発明の１実施形態にかかるＴＯＳＡを、分布定数線路により電気信号が介在する部品をモデル化して示すブロック図である。 図６に記載のＥＡ変調器の消光特性を示す図である。 図６に記載の方向性結合器の回路を示す回路構成図である。 図７のＤＣＰにおける構成素子のパラメータを示す表である。 図６のＴＯＳＡにＤＣＰを挿入した場合及び挿入しない場合のＳパラメータ反射特性を示すグラフである。 図６のＴＯＳＡにＤＣＰを挿入した場合及び挿入しない場合のタイム・ドメイン・リフレクトメータ特性を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図６は、本発明の１実施形態にかかるＴＯＳＡ６００を、分布定数線路により電気信号が介在する部品をモデル化して示すブロック図である。図６に記載のＴＯＳＡ６００は、信号源６３４からの電気信号を、高周波配線基板を介してＥＡＭ６２０に伝送するものであるが、電気信号を伝送する伝送経路として、半田接合部６０１及び６０３と、半田接合部６０１及び６０３との間に接続されたＦＰＣ６０２と、半田接合部６０３に接続されたフィードスルー伝送路６０４と、サブキャリア上のサブキャリア伝送路６０６と、フィードスルー伝送路６０４とサブキャリア伝送路６０６とを接続するボンディングワイヤ６０５と、サブキャリア伝送路６０６とＥＡＭ変調器６２０とを接続するボンディングワイヤ６０７とが用いられている。ボンディングワイヤ６０５又は６０７の特性インピーダンスは各伝送路の基準インピーダンスの値と異なっている。

また、ＴＯＳＡ６００は、入力信号源６３４と、ＦＰＣ６０２の前段との間に挿入された方向性結合器（ＤＣＰ）６１０を備える。ＤＣＰ６１０は、第１の入力ポート及び第１の出力ポートと、第２の入力ポート及び第２の出力ポートを有し、第１の入力ポートは信号源６３４が接続され、及び第１の出力ポートには半田接合部６０１が接続される。

ＤＰＣ６１０を挿入した場合、信号源６３４からＤＰＣ６１０を介してＥＡＭ６２０に伝送された電気信号の、ＥＡＭ６２０による反射は、ＤＰＣ６１０を介さない場合の反射波より、所望の周波数において小さくなる。したがって、ＤＰＣ６１０の挿入により、入力信号源に戻る反射波が抑制される。

各伝送経路の基準インピーダンスはＺ０＝５０Ω（特性インピーダンス１３２）とし、フィードスルー伝送路６０４とサブキャリア上のサブキャリア伝送路６０６とを接続するボンディングワイヤ６０５のインダクタンスを０．１５ｎＨとする。また、伝送経路終端部には、基準インピーダンス５０Ω系と整合させるため、終端抵抗６０８（５０Ω）、終端インダクタンス６０９（０．１７ｎＨ）を付加する。

ＥＡＭ６２０は、電極部６２１と、クラッド層の抵抗６２２と、クラッド層の抵抗６２２と直列に接続されたコア層の容量を６２３と、電気信号を光信号に変換する電気／光変換部６２４と、受光電流の電流源６２５とを付加した等価回路により表す。ここで、クラッド層の抵抗６２２の抵抗＝７Ω、コア層の容量６２３の容量＝０．３ｐＦとする。ＥＡＭ６２０は、印可電圧に応じた消光特性によってＤＦＢ−ＬＤからの連続光を電気／光変換部６２４において変調する。図７は、ＥＡＭ６２０の消光特性を示す図である。

実際には、ＴＯＳＡ６００は、ＥＡＭ６２０のほかにＥＡＭ６２０に連続光を照射するＤＦＢレーザを使用しているが、ＤＦＢレーザは基本的に直流電流のみで動作するので、インピーダンス不整合による高周波応答の反射波を考える場合には考慮しなくてよい。

更に、方向性結合器６１０の第２の入力ポートには検出部６３１が接続され、検出部６３１には制御部６３７が接続される。方向性結合器１１０の第２の入力ポートからの反射波は検出部６３１により検出され、後段の伝送線路や素子の特性が変化しても、反射強度を低減するように、ＤＣＰ６１０の周波数特性を制御部６３２で制御することも可能である。方向性結合器６１０の第２の入力ポートに検出器６３１を設けることで、反射波の強度をモニタすることができる。反射波強度を最小にするように、ＤＣＰ６１０の容量値及びインダクタンス値を制御部６３２において制御することもできれば、事前にモニタを行って、最適の容量値及びインダクタンス値を選択することもできる。

図８は、方向性結合器ＤＣＰ６１０の回路を示す回路構成図である。本実施例では、ＬＣ素子をベースとする集中定数型伝送路を用いる。集中定数型伝送路は、集積化により回路規模を縮小することが可能な伝送路である。ＤＣＰ６１０において、結合に寄与する伝送路として、複数のＴ型ＬＣフィルタが集合したものとなる。

ＤＣＰ６１０は、２つのＬＣフィルタを有している。第１のＴ型ＬＣフィルタは、直列に接続されたインダクタ８０１及び８０２と、インダクタ８０１と８０２との間に接続されたコンデンサ８０３とから構成される。また、第２のＴ型ＬＣフィルタは、直列に接続されたインダクタ８０４及び８０５と、インダクタ８０４と８０５との間に接続されたコンデンサ８０６とから構成される。第１及び第２のＴ型ＬＣフィルタは、第１及び第２のＴ型ＬＣフィルタの両端においてコンデンサ８０７及び８０８によって接続される。また、Ｓパラメータに現れる共振特性を調整するために、負荷抵抗８０９及び８１０を第２のＴ型ＬＣフィルタの第１のＴ型ＬＣフィルタとの結合部にそれぞれ付加する。

図８のＤＰＣ６１０は、第１の入力ポート８１１を信号源に、第１の出力ポート８１２を半田接続部６０１に、第２の入力ポート８１３を検出部６２３に接続する。第１の出力ポート８１１から入力した電気信号は方向性結合器６１０を通過して第１の出力ポート８１２から出力される。電気信号は反射波となって第１の出力ポート８１２に戻されるが、反射波は第１の出力ポートには到達せず第２の入力ポートから検出される。

ここで、図９は、図７のＤＣＰ６１０における構成素子のパラメータを示す表である。なお、ＤＣＰ６１０のＬＣフィルタは、Ｔ型ＬＣフィルタの代わりに、π型やＬ型等、他のＬＣフィルタの形態をとることも可能である。

今、１００ＧｂＥｔｈｅｒｎｅｔにおける使用を想定し、２５Ｇｂ／ｓでＥＡＭを動作することを想定する。ここで、ＴＯＳＡを構成する主要な伝送経路を分布定数線路でモデル化して、光半導体素子と組み合わせて効果を計算した結果を示す。

図１０は、ＴＯＳＡ６００にＤＣＰ６１０を挿入した場合及びＤＣＰ６１０を挿入しない場合のＳパラメータ反射特性（Ｓ１１）を示すグラフである。また、図１１は、ＴＯＳＡ６００にＤＣＰ６１０を挿入した場合及びＤＣＰ６１０を挿入しない場合のタイム・ドメイン・リフレクトメータ（ＴＤＲ）特性を示すグラフである。

図１０のＳ１１によれば、ＴＯＳＡにＤＣＰを挿入した方が、ＤＰＣを挿入しない場合に比べて広域に渡り反射波の強度が低く、反射特性の改善効果があることがわかる。特に、２５Ｇｂ／ｓの伝送レートに対して、高調波として重要な２５ＧＨｚ、２５／２＝１２．５ＧＨｚ、及び２５／３＝８．３ＧＨｚ近傍で反射が低くなり、有望である。

さらにＴＤＲ特性によって高速信号に対する実際の応答をみると、ＴＯＳＡ６００にＤＣＰ６１０を挿入した場合の効果はより明らかになる。すなわち、図１１によれば、ＤＣＰ６１０を挿入しない場合には、２４０ｐｓ付近で反射による大きなピークがあるのが、ＤＣＰ６１０を入れることによって解消されていることがわかる。すわわち、ＥＡＭ６３０の空乏層容量及び伝送路間のボンディングワイヤインダクタンス等によるインピーダンス不整合が緩和されていることを確認できる。

以上により、方向性結合器をＴＯＳＡの電気信号伝送路経間に挿入することで、入力信号源に戻る反射波が抑制される。

１００、６００ ＴＯＳＡ
１１０ 基台
１３０ 高周波配線基板
１３１ 信号源
１３２、６３３ 特性インピーダンス
１５０ 高周波パッケージ
１５１ キャリア
１５２ サブキャリア
１５５、１５７、６０４、６０６ 伝送路
１５６、１５８、６０５、６０７ ボンディングワイヤ
１６０、６２０ ＥＡＭ
１６１、６０８ 終端抵抗
１６２、６０９ 終端インダクタ
１６５ ＤＦＢレーザ
１７０、６０２ ＦＰＣ
１７１、１７２、６０１、６０３ 半田接合部
１８１、６２１ 電極部
１８２、６２２ クラッド層の抵抗
１８３、６２３ コア層の容量
１８４、６２４ 電気／光変換部
１８５、６２５ 受光電流の電流源
４００ ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ
４０１ ｎ−ＩｎＰ基板
４０２ レーザ活性層
４０３ 光吸収層
４０４ バットジョイント
４０５ ｐ−ＩｎＰ層
４０６ ＳＩ−ＩｎＰ層
４１１ ＤＦＢレーザ用電極
４１２ ＥＡＭ用電極
４１３ パット電極
４１４ 分離溝
６１０ 方向性結合器
６３１ 検出部
６３２ 制御部
８０１、８０２、８０４、８０５ インダクタ
８０３、８０６、８０７、８０８ コンデンサ
８０９、８１０ 抵抗

Claims (5)

1. 信号源から発信されるｆ（Ｇｂ／ｓ）の電気信号を伝送する第１の伝送路と、
   光半導体素子を含む高周波回路素子と、
   前記高周波回路素子を駆動するための電気信号を伝送する第２の伝送路と、
   前記第１の伝送路と前記第２の伝送路を結合する第３の伝送路と
   を備え、
   前記第２の伝送路を構成する要素の少なくともひとつの特性インピーダンスは前記第１の伝送路の特性インピーダンスと異なり、
   前記第３の伝送路は、方向性結合器であり、
   前記信号源から前記第１及び第２の伝送路を介して前記高周波回路に伝送された電気信号の、所望の周波数における前記高周波回路による反射波の強度が、前記信号源から前記第１乃至第３の伝送路を介して前記高周波回路に伝送された電気信号の、所望の周波数における前記高周波回路による反射波の強度よりも、大きい
   ことを特徴とする光送信器。
2. 前記所望の周波数は周波数ｆ（ＧＨｚ）、ｆ／２（ＧＨｚ）又はｆ／３（ＧＨｚ）のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記光半導体素子は、電界吸収型光変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
4. 前記方向性結合器は、ＬＣフィルタから構成されることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
5. 請求項４に記載の光送信器において、前記電気信号の反射波の強度を検出する検出部を設け、前記検出部で検出された反射波の強度を低減するように、前記ＬＣフィルタのインダクタンス及び容量の値を制御することを特徴とする制御方法。

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