JP2016038558A - ４波長多重光送信器の構成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＦＰ光トランシーバの小型化・経済化に適合した４波長多重光送信器を提供する。【解決手段】ＬＲ４用光送信器に要求される４つの波長に対応したＬＤ素子を各々小型円筒形パッケージ内に搭載し、平窓付きキャップで気密封止した４個のＬＤモジュール▲１６▼〜▲１９▼を予め作製し、さらに、４波長多重光送信器用筐体に５個のレンズ、３枚の誘電体多層膜フィルター、および１個の偏波無依存光アイソレータを予め固定しておく。３枚の誘電体多層膜フィルターの中、１枚のフィルターは反射率の波長依存性を利用する合波フィルターであり、他の１枚のフィルターは送信光の偏波状態を利用して合波するフィルターであり、残りの１枚のフィルターが送信光の偏波状態と反射率の波長依存性の両方を利用して合波するフィルターである。作製した４波長多重光送信器用筐体の所定の場所に、各波長に対応した４個のＬＤモジュールを調心固定する。【選択図】図６

Description

本発明は、光通信システムで用いられる４波長多重光送信器の構成方法に関する。

光通信システムの最新規格である、４０Ｇｂｉｔ／１００Ｇｂｉｔイーサネット（以下４０／１００ＧｂＥ）では、ＬＲ４と呼ばれる４Ｃｈの波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光伝送方式が規格の一つとして採用されている。特に１００ＧｂＥ用の光送信器には２５．７Ｇｂｉｔ／ｓの変調信号で符号化されたＬＡＮ−ＷＤＭと呼ばれる４つの波長レーン（Ｌａｎｅ０：１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ、Ｌａｎｅ１：１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ、Ｌａｎｅ２：１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ、Ｌａｎｅ３：１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍ）に対応した光信号を送信する機能が求められている。また、４０ＧｂＥでは、ＬＤチップ温度を制御せずに波長多重が可能なＣＷＤＭと呼ばれる波長間隔の広いグリッド（Ｌａｎｅ０：１２６４．５−１２７７．５ｎｍ、Ｌａｎｅ１：１２８４．５−１２９７．５ｎｍ、Ｌａｎｅ２：１３０４．５−１３１７．５ｎｍ、Ｌａｎｅ３：１３２４．５−１３３７．５ｎｍ）に対応した光信号を送信する機能が求められている。最近では消費電力削減のため、１００ＧｂＥでもＬＤチップ温度制御の不要なＣＷＤＭグリッドに対応したＬＲ４光送信器の開発も検討されている。

従来、１００ＧｂＥ−ＬＲ４用の光送信機能部は、Ｌａｎｅ０〜４の各波長に対応した４個の光送信器と各送信器から送出された光信号を１本の光ファイバに合波する波長フィルターとを光ファイバコードで接続して構成されていた。この構成法により作製された光送信器を用いて、ＣＦＰ（Ｃｅｎｔｕｍ ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）と呼ばれる１００ＧｂＥ−ＬＲ４規格に対応した光トランシーバも開発されている［非特許文献１、２］。

一方、１つの半導体発光素子内に４−ｌａｎｅに対応したＬＤ素子と光合波器を集積した半導体発光素子とそれを用いた１００ＧｂＥ−ＬＲ４用光送信器の研究開発成果も報告されている［非特許文献３，４］。この構成法による光送信器は、ＣＦＰ２、ＣＦＰ４へと続く１００ＧｂＥ−ＬＲ４用光トランシーバの小型化［非特許文献５］を推進する上で、有望であるが半導体チップの歩留りが低く、チップコストが高価なため実用化には至っていない。さらに、最近ではＡＷＧ（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）と呼ばれる石英系導波路波長フィルターと４個のＬＤチップを同一パッケージ内に収容し、小型化を実現する構成も行われている。［非特許文献６］

有馬他、「１００Ｇｂ／ｓ イーサネット向けトランシーバ」、２００９年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会予稿Ｂ−１０−２２、ｐｐ．２０２、（２００９）。 Ｓ．Ｋａｎａｚａｗａ，ｅｔ．ａｌ．，"Ａ ｃｏｍｐａｃｔ ＥＡＤＦＢ ｌａｓｅｒ ａｒｒａｙ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ａ ｆｕｔｕｒｅ １００−Ｇｂｉｔ／ｓ ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ"，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｉｓｓｕｅ ９９，ｐｐ．１−７，Ｓｅｐｔ．（２０１１）． ＣＦＰ−ＭＳＡ，"ＣＦＰ ＭＳＡ １００Ｇ Ｒｏａｄｍａｐ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，２０１１年１２月１３日検索、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｆｐ−ｍｓａ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ．ｈｔｍｌ＞ 例えば、三菱電機ニュースリリース 半導体Ｎｏ．１３１９、２０１３年１２月１７日

上述した２つの構成法の中、４個の光送信器と波長フィルターを組み合わせる構成法では、各部品の占有面積が大きく、ＣＦＰ光トランシーバの小型化を進める上での障害になっている。

一方、集積半導体光素子を用いる構成法では、光素子作製プロセス複雑化による歩留り低下、光素子の大型化によるコスト上昇が当初より懸念されている。さらに、４波長の合波用に集積されるＭＭＩ （Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラは、原理的に６ｄＢの光学損失有するため、信号光出力が低下する問題もある。

また、ＡＷＧを用いた構成では、４個のＬＤチップ各々と対応する光導波路間のアクティブ光学調心とＡＷＧ光ファイバ間のアクティブ光学調心が必要であり、計５回の光学調心を行う。さらに、ＡＷＧの光導波路のモードフィールド径は３〜４μｍと光ファイバ（モードフィールド径１０μｍ）に比べて小さく、ＬＤ−光導波路間の光学調心は通常のＬＤ−光ファイバ間の光学調心よりも２倍以上の高い精度が要求され、調芯時間が大幅に増加する問題があった。さらに、ＡＷＧ自身も価格が高く、光送信器の低コスト化を妨げる問題もある。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、半導体光素子の高集積化や石英系導波路フィルターに頼らない簡便な４波長多重方法を用いて１００ＧｂＥ−ＬＲ４用光送信器を実現し、ＣＦＰ光トランシーバの小型化・経済化に適合した４波長多重光送信器の提供を目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る４波長多重光送信器の構成法では、Ｌａｎｅ０〜Ｌａｎｅ３の各波長に対応したＬＤ素子を各々ＴＯ−３８と呼ばれる直径３．８ｍｍの小型円筒形パッケージ内に搭載し、平窓付きキャップで気密封止した４個のＬＤモジュールを予め作製しておく。（図１）さらに、４波長多重光送信器用筐体に５個のレンズ、３枚の誘電体多層膜フィルター、および１個の偏波無依存光アイソレータを予め固定しておく。（図２）この４波長多重光送信器用筐体には、各波長に対応したＬＤモジュールを調心固定することで各ＬＤ素子から送信された信号光が合波されることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る４波長多重光送信器の構成法では、上記第１の発明に記載の４波長多重光送信器の構成法において、送信光の合波に用いる３枚の誘電体多層膜フィルターの中、１枚のフィルターが送信光の偏波状態を利用して合波する偏波フィルターであり、他の２枚のフィルターが送信光の波長の差を利用して合波する波長フィルターであることを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る４波長多重光送信器の構成法では、上記第１、第２の発明に記載の４波長多重光送信器の構成法において、用いる光アイソレータが入射光の偏波状態に依存しない偏波無依存型であることを特徴とする。

本発明によれば、半導体ＬＤ素子の集積度を向上させる必要が無く従来の半導体ＬＤ素子がそのまま使用でき、集積半導体光素子を用いる場合に比べて、半導体光素子の歩留り低下、光素子の大型化によるコスト上昇、および半導体合波器の光損失増加による信号光出力低下を抑制できる。また、石英系導波路フィルターを用いる場合に比べ、調芯回数を５回亜から４回に削減できる。さらに、モードフィールド径１０μｍの通常のシングルモードファイバとの調心になるため、調芯精度は従来の光モジュールと同等で良く、調芯の高精度化に伴う工程時間の増大を避けることが可能である。以上の効果により、信号光出力を低下させる事無く、４波長多重光送信器の小型・低コスト化が実現できる。

本発明に係るＴＯ−３８と呼ばれる円筒形ＬＤモジュールの外観を示す図である。 本発明に係る４波長多重光送信器用筐体の構造を示す図である。 本発明に係るＴＯ−３８と呼ばれる円筒形ＬＤモジュールの構造を示す図である。 本発明に係る４波長多重光送信器用筐体の構造を示す図である。 本発明の実施例１で用いた３枚の誘電体多層膜フィルターの反射特性を示す図である。 本発明に係る４波長多重光送信器用筐体への円筒形ＬＤモジュールの調心工程の一例を示す図である。 本発明に係る４波長多重光送信器の完成例を示す図である。 本発明の実施例１とは異なる合波手順を実現できる３枚の誘電体多層膜フィルターの反射特性の一例を示す図である。 本発明に係る４波長多重光送信器の性能の一例を示す図である。

以下に、本発明の具体的な実施形態の例を示して説明を行う。以下の実施例は、本発明の構成、効果等を示す一つの例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行い得ることは言うまでもない。

本実施例では、ＣＷＤＭと呼ばれる波長間隔の広いグリッド（Ｌａｎｅ０：１２６４．５−１２７７．５ｎｍ、Ｌａｎｅ１：１２８４．５−１２９７．５ｎｍ、Ｌａｎｅ２：１３０４．５−１３１７．５ｎｍ、Ｌａｎｅ３：１３２４．５−１３３７．５ｎｍ）に対応した４つの半導体ＬＤモジュールを用いる。これら４つのＬＤモジュールの中、Ｌａｎｅ３に対応する波長のＬＤモジュール出力光とＬａｎｅ１に対応する波長のＬＤモジュール出力光とを波長フィルターで合波し、続いてＬａｎｅ２に対応する波長のＬＤモジュール出力光をＬａｎｅ１およびＬａｎｅ３の出力光と偏波フィルターで合波し、最後にＬａｎｅ０に対応する波長のＬＤモジュール出力光を波長フィルターで合波する場合を例として、本発明の実施形態について説明する。

１．半導体ＬＤモジュールの構造
本実施例で用いる半導体ＬＤモジュールの構造を図３に示す。ＴＯ−３８と呼ばれる直径３，８ｍｍのＴＯヘッド▲１▼上に、ＬＤ光のパワーモニタ用ＰＤ▲２▼を窒化アルミ製サブマウント▲３▼を介して金錫ハンダで固定する。続いてＤＦＢ−ＬＤと呼ばれる単一モードＬＤ素子▲４▼を窒化アルミ製ＬＤサブマウント▲５▼を介して金錫ハンダで固定し、ワイヤボンディングにより、２つのピンに接続する。その後、乾燥窒素雰囲気中で平窓付き金属製キャップ▲６▼を溶接固定してＬＤ素子を気密封止し、信頼性の高い半導体ＬＤモジュールを実現している。

なお、ＴＯヘッド▲１▼上には半円形の切欠きが２か所、四角形の切欠きが１か所形成されている。ＤＦＢ−ＬＤ素子は出力光の偏波面が２か所の半円形の切欠きを結ぶ一点鎖線▲７▼と平行になるようＴＯヘッド上に固定される。

２．４波長多重光送信器用筐体の組立
（１）フィルター接着（図４＆５）
金属製筐体▲８▼の所定の位置にフィルターＡ▲９▼、フィルターＢ▲１０▼、フィルターＣ▲１１▼の順にＵＶ硬化樹脂を用いて接着し、１０秒間ＵＶ光を照射して仮固定する。その後、１５０℃の恒温槽中に３分間保持し、本固定する（図４）。ここでは、ＵＶ硬化樹脂を用いていたが、フィルター接着に熱硬化型エポキシ樹脂を用いても良い。各フィルターの反射特性を図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。フィルターＡにはｐ偏光のみ入射するよう、ＬＤモジュールを配置するので、フィルターＡの特性を示す図５（ａ）は、ｐ偏光に対する特性を示している。このフィルターは反射率の波長依存性により、図５中のＸ方向から入射するＬａｎｅ３の入射光を透過し、Ｙ方向から入射するＬａｎｅ１光を反射することで２つの光を合波する。

図５（ｂ）は、フィルターＢの反射特性で実線がＳ偏光、点線がｐ偏光に対応する。Ｘ方向から入射するＬａｎｅ１＆３はｐ偏光なので、点線の特性に従い透過する。一方、Ｙ方向から入射するＬａｎｅ２光の偏光方向がｓ偏光になるようＬａｎｅ２のＬＤモジュールの配置を調整することで、Ｌａｎｅ２光が反射され、透過してきたＬａｎｅ１＆３の光と合波する。このようにフィルターＢは偏光を利用して合波を行うフィルターになっている。

最後に図５（ｃ）はフィルターＣの反射特性を示している。フィルターＢと同様、実線がＳ偏光、点線がｐ偏光の特性に対応している。Ｘ方向から入射するＬａｎｅ１＆３光はｐ偏光で透過、同様にＬａｎｅ２光はｓ偏光で透過する。Ｙ方向から入射するＬａｎｅ０光は、ｓ偏光になるようＬＤモジュールの位置を調整しており、フィルターＣ表面で反射し、透過してきたＬａｎｅ１，２，＆３と合波する。このように、フィルターＣは、反射率の偏光と波長に対する依存性を利用して合波するフィルターになっている。

（２）レンズ・アイソレータ・ＬＣレセプタクル固定（図４）
次に、４個のＬＤコリメータレンズ▲１２▼を所定の位置にＵＶ固定樹脂を用いてフィルターと同様に固定する。続いて、偏波無依存光アイソレータ▲１３▼とファイバコリメータレンズ▲１４▼を所定の位置に装着し、ＹＡＧレーザーにより溶接固定する。最後にＬＣレセプタクル▲１５▼を所定の位置に装着し、ＹＡＧレーザーにより溶接固定する。固定後、ＹＡＧ溶接部の歪緩和のため、−４０℃／８５℃のヒートサイクルを１０ｃｙｃｌｅ行う。

３．ＬＤモジュールの調心（図６）
完成した筐体▲８▼をＹＡＧレーザーの装備されている調心装置のステージに装着する。
Ｌａｎｅ３に対応する波長のＬＤモジュール▲１６▼を調心装置のサンプルホルダーに装着する。この時、Ｌａｎｅ３−ＬＤモジュール▲１６▼の出力光偏波面が図６中のＺ方向に平行となるよう、ＴＯヘッドの切欠き位置を調整する。この調整により、フィルターＡに入射するＬａｎｅ３光はｐ偏光となる。Ｌａｎｅ３−ＬＤモジュール▲１６▼のＸ−Ｙ−Ｚ ３軸調心を行い、ＬＣレセプタクルからの光出力が最大となる位置でＹＡＧレーザーによる溶接固定を行う。

次にＬａｎｅ１−ＬＤモジュール▲１７▼を調心装置のサンプルホルダーに装着する。この時、ｌａｎｅ１−ＬＤ▲１７▼の偏波面は、Ｌａｎｅ３−ＬＤモジュールと同様にＸ方向に平行になるよう調整する。この調整によりフィルターＡに入射するＬａｎｅ１光は、ｐ偏光となる。Ｌａｎｅ１−ＬＤモジュール▲１７▼の３軸調心を行い、ピーク位置でＹＡＧレーザーによる溶接固定を行う。

次にＬａｎｅ２−ＬＤモジュール▲１８▼を調心装置のサンプルホルダーに装着する。この時、ｌａｎｅ２−ＬＤ▲１８▼の偏波面は、Ｌａｎｅ１＆３−ＬＤモジュールとは異なり図６中のＹ方向に平行になるよう調整する。これは、フィルターＢが偏波フィルターであるためであり、Ｌａｎｅ２光はＳ偏光としてフィルターＢに入射する。Ｌａｎｅ２−ＬＤモジュール▲１８▼の３軸調心を行い、ピーク位置でＹＡＧレーザーによる溶接固定を行う。最後に、Ｌａｎｅ０−ＬＤモジュール▲１９▼をｌａｎｅ２−ＬＤ▲１８▼と同じ偏波面方向になるよう調心装置のサンプルホルダーに装着する。Ｌａｎｅ０−ＬＤモジュール▲１９▼の３軸調心を行い、ピーク位置でＹＡＧレーザーによる溶接固定を行う。

４．ＬＤモジュールの完成（図７）
ＬＤモジュールの調芯固定が完了した後、各ＬＤモジュールに対してフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣ基板）をハンダ付けして、４波長多重光送信器は完成する。ここでは、Ｌａｎｅ０＆２のＬＤモジュールを１枚のＦＰＣに接続し、Ｌａｎｅ１＆３のＬＤモジュールを他の１枚のＦＰＣに接続し、合計２枚のＦＰＣを用いたが、各ＬＤモジュール毎にＦＰＣを１枚、計４枚のＦＰＣを用いても良い。なお、本実施例では、Ｌａｎｅ３→Ｌａｎｅ１→Ｌａｎｅ２→Ｌａｎｅ０の順に合波したが、図８に示すような特性のフィルターを用いることでＬａｎｅ０→Ｌａｎｅ２→Ｌａｎｅ１→Ｌａｎｅ３の順に合波することも可能である。このように本発明の本質は、合波の波長順とは無関係である。また、ＬＤモジュールの偏波面の向きも、用いる誘電体多層膜フィルターの特性に適合するよう変更可能であり、本発明の本質とは無関係である。

５．光送信器の特性（図９）
完成した４波長多重光送信器の全ての電源供給端子と制御端子をＤＣ電源に接続し、適切なバイアス電圧を与え、さらに全信号端子に、［２５．８Ｇｂｉｔ／ｓ−ＮＲＺ−ＰＲＢＳ ２^３１−１］の変調電流を流した際の出力光波形を図９に示す。Ｌａｎｅ０〜３の全波長において明瞭なアイ開口が確認でき作製した４波長多重光送信器が良好な特性を有していることが判る。この時の各Ｌａｎｅの平均光出力をパワーメータにて測定した。全Ｌａｎｅとも０〜＋２ｄＢｍの平均光出力を有しており、１００ＧｂＥ−ＬＲ４の仕様に適合することが確認できた。

Claims (4)

1. ４つの異なる波長の光信号を１本の光ファイバーもしくは１個の光レセプタクルから送出する４波長多重光送信器の構成において、各波長に対応したＬＤ素子が封入された４個の円筒形パッケージと３枚の誘電体多層膜フィルターを用いて前記４ｃｈ光送信器を実現したことを特徴とする４波長多重光送信器の構成法。
2. 請求項１に記載の４ｃｈ光送信器の構成法において、ＬＤ素子の封入された円筒形パッケージがＴＯ−３８と呼ばれる直径３．８ｍｍの円筒形であることを特徴とする４波長多重光送信器の構成法。
3. 請求項１および２に記載の４ｃｈ光送信器の構成法において、用いる３枚の誘電体多層膜フィルターの中、１枚のフィルターが反射率の波長依存性を利用する合波フィルターであり、他の１枚のフィルターが送信光の偏波状態を利用して合波するフィルターであり、残りの１枚のフィルターが送信光の偏波状態と反射率の波長依存性の両方を利用して合波するフィルターであることを特徴とする４波長多重光送信器の構成法。
4. 請求項１、２、および３に記載の４ｃｈ光送信器の構成法において、用いる光アイソレータが入射光の偏波状態に依存しない偏波無依存型であることを特徴とする４波長多重光送信器の構成法。