JP2019036618A - 光モジュール及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型で且つ良好な光増幅特性を得ることができる光受信装置を提供する。【解決手段】光モジュール１の光導波路基板１００は、偏波ビームスプリッタ３１と、ビームスプリッタ３２と、一対の光ハイブリッド回路３３、３４とを有し、光変調器１３によって変調された送信光、ローカル光及び受信光が入力される。偏波ビームスプリッタ３１は受信光をＸ偏波成分及びＸ偏波成分に直交するＹ偏波成分に分離し、ビームスプリッタ３２はローカル光を分割し、一対の光ハイブリッド回路３３、３４はＸ偏波成分及びＹ偏波成分と、分割されたローカル光とを干渉させる。ビームスプリッタと一対の光ハイブリッド回路とを接続する一対のローカル光導波路、及び送信光が通過する送信光導波路は、励起光が導入されたときに所定の周波数を有する光を増幅する希土類イオンがドープされている。【選択図】図３

Description

本発明は、光モジュール及びその制御方法に関する。
１００ＧｂｐＳ等の高速光伝送システムにおいて、半導体基板上に種々の光学素子が形成された光導波路基板を有するデジタルコヒーレント光トランシーバが使用されている（例えば、特許文献１を参照）。また、光導波路基板に形成される光導波路にエルビウム（Ｅｒ）を添加して増幅器とすることが知られている（例えば、特許文献２及び３を参照）。半導体基板上に種々の光学素子が形成された光導波路基板は、平面型導波路とも称される。平面型導波路は、偏波ビームスプリッタ（polarization-beam splitter、ＰＢＳ）及光９０度ハイブリッド回路等の光学素子が形成された基板である。単一の基板上に複数の素子を形成可能な平面型導波路を採用することで、光受信装置を含むデジタルコヒーレント光トランシーバは、小型化される。
特開２０１４−１５７１８１号公報 特開２００６−７４０１６号公報 特開２００３−２８３０１２号公報
また、デジタルコヒーレント光トランシーバは、光源が出力した光を送信光として使用すると共に、光源が出力された光の一部の光をビームスプリッタ等で分割してローカル光として使用することで、更に小型化されると共に低消費電力化できる。送信光の一部をローカル光として使用することで、送信光の光出力パワーが低下することを防止するため、送信光は、光変調器で変調された後にエルビウム添加光ファイバー増幅器（erbium doped fiber amplifier、ＥＤＦＡ）等の増幅器によって増幅される。ＥＤＦＡは、エルビウムイオン（Er+3）がコアにドープされた数ｍの長さのエルビウムドープ光ファイバを含み、エルビウムイオン（Er+3）を励起光で励起することで、１．５５μｍ帯の光を増幅する増幅器である。光源から出力された送信光は、光変調器で変調された後に励起光と合波してＥＤＦＡで増幅されることにより、所望の光増幅特性が実現される。
しかしながら、ＥＤＦＡに含まれるエルビウムドープ光ファイバは、一般に数ｍの長さを有するので、ＥＤＦＡによって送信光を増幅するデジタルコヒーレント光トランシーバは、小型化が容易ではない。
一実施形態では、小型で且つ良好な光増幅特性を得ることができる光モジュールを提供することを目的とする。
１つの態様では、光モジュールは、光源と、光源から出射された光を送信光とローカル光とに分波する分波器と、送信光を変調する変調器と、光導波路基板と、励起光を光導波路基板に導入する励起光源とを有する。光導波路基板は、偏波ビームスプリッタと、ビームスプリッタと、一対の光ハイブリッド回路と、一対のローカル光導波路と、一対の受信光導波路と、送信光導波路とを有し、変調器によって変調された送信光、ローカル光及び受信光が入力される。偏波ビームスプリッタは受信光をＸ偏波成分及びＸ偏波成分に直交するＹ偏波成分に分離し、ビームスプリッタはローカル光を分割し、一対の光ハイブリッド回路はＸ偏波成分及びＹ偏波成分のそれぞれと、分割されたローカル光とを干渉させる。一対のローカル光導波路はビームスプリッタと一対の光ハイブリッド回路とを接続し、一対の受信光導波路は偏波ビームスプリッタと一対の光ハイブリッド回路とを接続し、送信光導波路は送信光が通過する。一対のローカル光導波路及び送信光導波路は、励起光が導入されたときに所定の周波数を有する光を増幅する希土類イオンがドープされている。
一実施形態では、小型で且つ良好な光増幅特性を得ることができる。
（ａ）は関連する光受信装置の一例である受信フロントエンドを含むデジタルコヒーレント光トランシーバのブロック図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＥＤＦＡの内部ブロック図である。 図１（ａ）に示す受信フロントエンドの内部ブロック図である。 第１実施形態に係るモジュールのブロック図である。 図３に示す光変調器の内部ブロック図である。 （ａ）は図３に示す第２送信導波路の一例の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す第２送信導波路の正面図であり、（ｃ）は図３に示す第２送信導波路の他の例の斜視図であり、図５（ｄ）は（ｃ）に示す第２送信導波路の正面図である。 （ａ）は図１に示すビームスプリッタの動作を説明するための図であり、（ｂ）は図３に示すビームスプリッタの動作を説明するための図である。 第２実施形態に係るモジュールのブロック図である。 第３実施形態に係るモジュールのブロック図である。 第４実施形態に係るモジュールのブロック図である。 第５実施形態に係るモジュールのブロック図である。 第６実施形態に係るモジュールのブロック図である。 （ａ）は図１１に示す制御部の機能ブロック図であり、（ｂ）は（ａ）に示す制御部により実行される送信光出力パワー制御処理のフローチャートを示す図である。 変形例に係る光変調器の内部ブロック図である。
以下図面を参照して、実施形態に係る光モジュールについて説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されない。
（実施形態に係る光モジュールに関連する光モジュール）
実施形態に係る光モジュールについて説明する前に、実施形態に係る光モジュールに関連する光モジュールについて説明する。
図１（ａ）は関連する光モジュールの一例であるデジタルコヒーレント光トランシーバのブロック図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＥＤＦＡの内部ブロック図である。
デジタルコヒーレント光トランシーバ９００は、デジタル信号処理装置（digital signal processor、ＤＳＰ）９０１と、デジタルアナログ変換器９０２と、アナログデジタル変換器９０３とを有する。デジタルコヒーレント光トランシーバ９００は、光源９１１と、半導体光増幅器（semiconductor optical amplifier、ＳＯＡ）９１２と、ビームスプリッタ９１３と、変調ドライバ９１４と、光変調器９１５と、ＥＤＦＡ９１６とを更に有する。デジタルコヒーレント光トランシーバ９００は、受信フロントエンド９１７を更に有する。
ＤＳＰ９０１は、デジタル送信信号Ｔｘ１〜Ｔｘ＿ｎが入力され、入力されたデジタル送信信号Ｔｘ１〜Ｔｘ＿ｎに対応するデータに所定の処理を実行して、所定の処理を実行したデータを示すデジタル送信信号をデジタルアナログ変換器９０２に出力する。また、ＤＳＰ９０１は、アナログデジタル変換器９０３からデジタル受信信号が入力され、入力されたデジタル受信信号に対応するデータに所定の処理を実行して、所定の処理を実行したデータを示すデジタル受信信号Ｒｘ１〜Ｒｘ＿ｎを出力する。また、ＤＳＰ９０１は、デジタル受信信号Ｒｘ１〜Ｒｘ＿ｎから受信光に対応する信号にエラーが発生した比率を示すエラーレートを演算してもよく、受信光に対応する信号にエラーが発生した回数を示すエラーカウントを演算してよい。デジタルアナログ変換器９０２は、ＤＳＰ９０１から入力されるデジタル送信信号をデジタル‐アナログ変換してアナログ送信信号を生成し、生成したアナログ送信信号を変調ドライバ９１４に出力する。アナログデジタル変換器９０３は、受信フロントエンド９１７から入力されるアナログ受信信号をアナログ‐デジタル変換してデジタル送信信号を生成し、生成したデジタル受信信号をＤＳＰ９０１に出力する。
光源９１１は、例えば、分布帰還型（distributed feedback、ＤＦＢ）レーザ、ＳＧ−ＤＢＲ（sampled grating-distributed bragg reflector）レーザ、リング共振器レーザ等であり、所望の光学特性を有するコヒーレント光を出力するレーザである。光源９１１が出力するコヒーレント光は、例えば、１．５５μｍ帯の光である。
ＳＯＡ９１２は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等の半導体材料から形成され、光源９１１から入力されるコヒーレント光を増幅する増幅器である。ビームスプリッタ９１３は、例えば、互いの傾斜面を接合した一対のプリズムであり、ＳＯＡ９１２によって増幅されたコヒーレント光を２つの光に１対１の比率で分割する。ビームスプリッタ９１３は、分割した一方の光を光変調器９１５に出力すると共に、分割した他方の光を受信フロントエンド９１７に出力する。変調ドライバ９１４は、デジタルアナログ変換器９０２から入力されたアナログ送信信号を光変調器９１５に出力する。光変調器９１５は、変調ドライバ９１４を介して入力されたアナログ送信信号に基づいて、光源９１１から出力されたコヒーレント光を変調した変調光をＥＤＦＡ９１６に出力する。光変調器９１５は、例えば、コヒーレント光を偏波多重４値位相変調（dual polarization-quadrature phase shift keying、ＤＰ−ＱＰＳＫ）して変調光を生成する。ＳＯＡ９１２、ビームスプリッタ９１３、変調ドライバ９１４、及び光変調器９１５の構造及び機能は、広く知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。
ＥＤＦＡ９１６は、励起光レーザ９２１と、合波器９２２と、光増幅用ファイバ９２３とを有する。励起光レーザ９２１は、例えば、分布帰還型レーザ、ＳＧ−ＤＢＲレーザ、リング共振器レーザ等であり、０．９８μｍ帯又は１．４８μｍ帯のエルビウムイオン（Er+3）を励起するための励起光を生成し、生成した励起光を合波器９２２に出力する。合波器９２２は、例えば、ＷＤＭカプラであり、光変調器９１５から入力される変調光と励起光レーザ９２１から入力される励起光を合波して光増幅用ファイバ９２３に出力する。光増幅用ファイバ９２３は、例えば、エルビウムイオン（Er+3）をコアにドープされた数ｍの長さの光ファイバであり、励起光レーザ９２１から励起光が入力されるときに、１．５５μｍ帯の光を増幅する増幅器である。
図２は、受信フロントエンド９１７の内部ブロック図である。
受信フロントエンド９１７は、複数の光学素子が形成された平面型導波路であり、例えばＤＰ−ＱＰＳＫによって変調された受信光を復調する光信号処理部９３１と、光信号処理部によって復調された光信号を電気信号に変換するＯＥ変換部９３２とを有する。
光信号処理部９３１は、偏波ビームスプリッタ９４１と、ビームスプリッタ９４２と、一対の光９０度ハイブリッド回路である第１光ハイブリッド回路９４３及び第２光ハイブリッド回路９４４とを有する。光信号処理部９３１は、入力される受信光を、直交するＸ偏波成分のＩチャネル位相成分ＸＩ及びＱチャネル位相成分ＸＱ及びＸ偏波成分に直交するＹ偏波成分のＩチャネル位相成分ＹＩ及びＱチャネル位相成分ＹＱに分離する。偏波ビームスプリッタ９４１、ビームスプリッタ９４２、第１光ハイブリッド回路９４３及び第２光ハイブリッド回路９４４の構造及び機能は、広く知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。
ＯＥ変換部９３２は、４対のフォトダイオード９５１及び４つのトランスインピーダンスアンプ（Trans Impedance Amplifier、ＴＩＡ）９５２を有する。ＯＥ変換部９３２は、光信号処理部９３１によって受信光から分離されたＸＩ、ＸＱ、ＹＩ及びＹＱの４つの光信号を電気信号に変換し、変換した電気信号をアナログデジタル変換器９０３に出力する。フォトダイオード９５１及びＴＩＡ９５２の構造及び機能は、広く知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。
デジタルコヒーレント光トランシーバ９００は、光源９１１が出力された光の一部の光をビームスプリッタ９１３で分割してローカル光として使用することで、小型化されると共に低消費電力化できる。また、デジタルコヒーレント光トランシーバ９００は、光変調器９１５で変調された送信光をＥＤＦＡ９１６が増幅することで、送信光の光出力パワーが低下することを防止することができる。
しかしながら、ＥＤＦＡ９１６に含まれる光増幅用ファイバ９２３は、数ｍの長さを有するので、デジタルコヒーレント光トランシーバは、小型化が容易ではない。
（実施形態に係る光モジュールの概要）
実施形態に係る光モジュールは、励起光の導入により所定の周波数の光を増幅する希土類イオンがドープされた光導波路が形成された光導波路基板を使用してローカル光及び送信光の双方を増幅することで、小型で且つ良好な光増幅特性を得ることができる。
（第１実施形態に係る光モジュールの構成及び機能）
図３は、第１実施形態に係るモジュールのブロック図である。図３において、光信号は実線で示され、電気信号は一点鎖線で示される。
光モジュール１は、光源１０と、ＰＭＣ１１と、変調ドライバ１２と、光変調器１３と、励起レーザ２０と、ＤＳＰ５０と、デジタルアナログ変換器５１と、アナログデジタル変換器５２と、光導波路基板１００とを有する。光モジュール１は、例えば、デジタルコヒーレント光トランシーバである。
光源１０及び変調ドライバ１２の構成及び機能は、光源９１１及び変調ドライバ９１４の構成及び機能と同様である。また、ＤＳＰ５０〜アナログデジタル変換器５２の構成及び機能は、ＤＳＰ９０１〜アナログデジタル変換器９０３の構成及び機能と同様である。よって、光源１０、光変調器１３及びＤＳＰ５０〜アナログデジタル変換器５２の構成及び機能については、ここでは詳細な説明は省略する。
偏波保持カプラ（Polarization Maintaining Coupler、ＰＭＣ）１１は、光源１０から出射されたコヒーレント光を所定の比率で２つの光に１００対１の比率で分割する。光源１０は、比率が１００である方の光を光変調器１３に出力すると共に、比率が１である方の光を光導波路基板１００にローカル光として出力する。
図４は、光変調器１３の内部ブロック図である。
光変調器１３は、ビームスプリッタ１３０と、第１ＱＰＳＫ回路１３１と、第２ＱＰＳＫ回路１３２と、偏波回転器１３３と、偏波ビームコンバイナ（polarization beam combiner、ＰＢＣ）１３４とを有する光導波路基板である。ビームスプリッタ１３０は、ビームスプリッタ９１３から入力される光を１対１で分割して、分割した光を第１ＱＰＳＫ回路１３１及び第２ＱＰＳＫ回路１３２のそれぞれに出力する。第１ＱＰＳＫ回路１３１及び第２ＱＰＳＫ回路１３２のそれぞれは、ビームスプリッタ１３０から入力された光に四位相偏移変調を実行する。第１ＱＰＳＫ回路１３１は四位相偏移変調した光を偏波回転器１３３に出力し、第２ＱＰＳＫ回路１３２は四位相偏移変調した光をＰＢＣ１３４に出力する。偏波回転器１３３は、第１ＱＰＳＫ回路１３１から入力された光を９０度偏波し、偏波した光をＰＢＣ１３４に出力する。ＰＢＣ１３４は、第２ＱＰＳＫ回路１３２及び偏波回転器１３３のそれぞれから入力される光を合波し、合波した光をＤＦＡ１１６に出力する。ビームスプリッタ１３０、第１ＱＰＳＫ回路１３１、第２ＱＰＳＫ回路１３２、偏波回転器１３３及びＰＢＣ１３４の構造及び機能は、広く知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。
励起レーザ２０は、例えば、分布帰還型レーザ、ＳＧ−ＤＢＲレーザ、リング共振器レーザ等である。光導波路基板１００は、０．９８μｍ帯又は１．４８μｍ帯のエルビウムイオン（Er+3）を励起するための励起光を生成し、生成した励起光を光導波路基板１００に出力する。励起レーザ２０が生成する励起光は、例えば、Ｐ波成分及びＳ波成分のそれぞれが５０％に設定される。一例では、励起光は、４５度ねじられたファイバに導入されることで、Ｐ波成分及びＳ波成分のそれぞれが５０％に設定される。他の例では、励起光は、１／２波長板に導入されることで、Ｐ波成分及びＳ波成分のそれぞれが５０％に設定される。なお、励起レーザ２０は、発熱するので、光導波路基板１００の外に配置されることが好ましい。
光導波路基板１００は、複数の光学素子が形成された光導波路基板である平面型導波路である。光導波路基板１００は、第１送信導波路１４と、第２送信導波路１５と、第３送信導波路１６と、第１励起導波路２１と、第２励起導波路２２とを有する。光導波路基板１００は、例えばＤＰ−ＱＰＳＫによって変調された受信光を復調する光信号処理部３０と、光信号処理部によって復調された光信号を電気信号に変換するＯＥ変換部４０とを更に有する。光導波路基板１００は、一例では石英系の基板であり、他の例では石英系の基板５０分の１の大きさに製造可能なシリコンフォトニクス系の基板である。
第１送信導波路１４、第２送信導波路１５及び第３送信導波路１６は、互いに接続され、第１送信導波路１４に導入された送信光を第２送信導波路１５で増幅して第３送信導波路１６から出射する。第１励起導波路２１は励起レーザ２０から出射された励起光を光信号処理部３０に導入する光導波路であり、第２励起導波路２２は励起レーザ２０から出射された励起光を第２送信導波路１５に導入する光導波路である。第１送信導波路１４及び第３送信導波路１６、第１励起導波路２１及び第２励起導波路２２の構造は、よく知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。
図５（ａ）は第２送信導波路１５の一例の斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す第２送信導波路１５の正面図である。図５（ｃ）は第２送信導波路１５の他の例の斜視図であり、図５（ｄ）は図５（ｃ）に示す第２送信導波路１５の正面図である。
第２送信導波路１５は、エルビウムイオン（Er+3）がドープされた導波路型ＥＤＦＡであり、ＥＤＷＡとも称される。第２送信導波路１５は、図５（ａ）及び５（ｂ）に示すようにリッジ型であってもよく、図５（ｃ）及び５（ｄ）に示すように埋め込み型であってもよい。第２送信導波路１５の比屈折率差は、光導波路基板１００が石英系の基板であるとき０．５％〜１％程度であり、光導波路基板１００がシリコンフォトニクス系の基板であるとき３５％程度である。
第２送信導波路１５がリッジ型であるとき、サイズを大きくできると共に、設計性が簡易になる。一方、第２送信導波路１５が埋め込み型であるとき、サイズを小さくなる。第２送信導波路１５のモードフィールド径は、例えば５μｍである。従来の導波路のモードフィールド径は、１０μｍ程度であるので、第２送信導波路１５のモードフィールド径は、従来の導波路のモードフィールド径の略半分である。第２送信導波路１５は、受信光だけでなく、受信光よりも短波長である励起光も導波させるために、モードフィールド径は従来の半分程度にするとよい。エルビウムイオン（Er+3）は、結晶成長時に第２送信導波路１５にドープされてもよく、結晶成長後に第２送信導波路１５にドープされてもよい。
第２送信導波路１５は、光変調器１３から第１送信導波路１４を介して導入される送信光と同一方向から励起光が導入される。第２送信導波路１５は、励起光が送信光と同一方向から導入されることで雑音指数（Noise Figure、ＮＦ）が低くなる。
光信号処理部３０は、偏波ビームスプリッタ３１と、ビームスプリッタ３２と、一対の光９０度ハイブリッド回路である第１光ハイブリッド回路３３及び第２光ハイブリッド回路３４とを有する。光信号処理部３０は、第１受信光導波路３５と、第２受信光導波路３６と、第１ローカル光導波路３７と、第２ローカル光導波路３８とを更に有する。偏波ビームスプリッタ３１、第１光ハイブリッド回路３３及び第２光ハイブリッド回路３４の構成及び機能は、偏波ビームスプリッタ９４１、第１光ハイブリッド回路９４３及び第２光ハイブリッド回路９４４の構成及び機能と同様である。したがって、第１光ハイブリッド回路３３及び第２光ハイブリッド回路３４の構成及び機能は、ここでは詳細な説明は省略する。第１受信光導波路３５は偏波ビームスプリッタ３１と第１光ハイブリッド回路３３とを接続し、第２受信光導波路３６は偏波ビームスプリッタ３１と第２光ハイブリッド回路３４とを接続する光導波路である。
ビームスプリッタ３２は、一方の入力ポートにローカル光が導入され、他方の入力ポートに第１励起導波路２１を介して励起光が導入される。第１ローカル光導波路３７はビームスプリッタ３２と第１光ハイブリッド回路３３とを接続し、第２ローカル光導波路３８はビームスプリッタ３２と第２光ハイブリッド回路３４とを接続する光導波路である。第１ローカル光導波路３７及び第２ローカル光導波路３８のそれぞれは、第２送信導波路１５と同様に、エルビウムイオン（Er+3）がドープされた導波路型ＥＤＦＡである。
図６（ａ）はビームスプリッタ９４２の動作を説明するための図であり、図６（ｂ）はビームスプリッタ３２の動作を説明するための図である。
ビームスプリッタ９４２は、第１導波路９６１と、第２導波路９６２と、第１ポート９６３と、第２ポート９６４と、第３ポート９６５と、第４ポート９６６とを有する。第１ポート９６３は第１導波路９６１の一端に配置され、第２ポート９６４は第２導波路９６２の一端に配置され、第３ポート９６５は第１導波路９６１の他端に配置され、第４ポート９６６は第２導波路９６２の他端に配置される。ビームスプリッタ９４２の分岐比は、例えば１対１である。ビームスプリッタ９４２は、第３ポート９６５からローカル光が導入されて、導入されたローカル光を３ｄＢを減衰して、第１ポート９６３及び第２ポート９６４を介して第１光ハイブリッド回路９４３及び第２光ハイブリッド回路９４４に出力する。
ビームスプリッタ３２は、第１導波路３２１と、第２導波路３２２と、第１ポート３２３と、第２ポート３２４と、第３ポート３２５と、第４ポート３２６とを有する。第１ポート３２３は第１ローカル光導波路３７の一端に配置され、第２ポート３２４は第２ローカル光導波路３８の一端に配置され、第３ポート３２５は第１導波路３２１の他端に配置され、第４ポート３２６は第２導波路３２２の他端に配置される。ビームスプリッタ３２の分岐比は、例えば１対１である。
ビームスプリッタ３２は、第３ポート３２５からローカル光が導入され且つ第４ポート３２６から励起光が導入される。ビームスプリッタ３２は、導入されたローカル光及び励起光を合成し、合成した光を半分に分割して第１ポート３２３及び第２ポート３２４を介して第１ローカル光導波路３７及び第２ローカル光導波路３８に出力する。第１ローカル光導波路３７及び第２ローカル光導波路３８は、入力された光を増幅して、第１光ハイブリッド回路３３及び第２光ハイブリッド回路３４に出力する。
ＯＥ変換部４０は、４対のフォトダイオード４１及び４つのトランスインピーダンスアンプ４２を有する。ＯＥ変換部４０の構成及び機能は、ＯＥ変換部９３２の構成及び機能と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
（第１実施形態に係る光モジュールの作用効果）
第１実施形態に係る光モジュールは、励起光が導入されたときに所定の周波数を有する光を増幅する希土類イオンがドープされている一対のローカル光導波路及び送信光導波路を導波路基板に形成することで、ローカル光及び送信光を増幅する。第１実施形態に係る光モジュールは、導波路基板に形成された一対のローカル光導波路及び送信光導波路によってローカル光及び送信光を増幅することで、小型で且つ良好な光増幅特性を得ることができる。
（第２実施形態に係る光モジュールの構成及び機能）
図７は、第２実施形態に係る光モジュールのブロック図である。図７において、光信号は実線で示され、電気信号は一点鎖線で示される。
光モジュール２は、光導波路基板２００を光導波路基板１００の代わりに有することが光モジュール１と相違する。光導波路基板２００以外の光モジュール２の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光モジュール１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。
光導波路基板２００は、第２励起導波路２２の代わりに第２励起導波路２３が形成されることが光導波路基板１００と相違する。第２励起導波路２３は、光変調器１３から第１送信導波路１４を介して導入される送信光と反対方向から励起光が導入されるように形成される。すなわち、第２励起導波路２２は、第１送信導波路１４が接続される第２送信導波路１５の面の反対の面に接続される。
（第２実施形態に係る光モジュールの作用効果）
第２実施形態に係る光モジュールは、送信光が導入される方向と反対方向から励起光が導入されることで、第１実施形態に係る光モジュールよりも増幅率を高くすることができる。
（第３実施形態に係る光モジュールの構成及び機能）
図８は、第３実施形態に係る光モジュールのブロック図である。図８において、光信号は実線で示され、電気信号は一点鎖線で示される。
光モジュール３は、光導波路基板３００を光導波路基板１００の代わりに有することが光モジュール１と相違する。また、光モジュール３は、ＯＥ変換部６０をＯＥ変換部４０の代わりに有することが光モジュール１と相違する。光導波路基板３００及びＯＥ変換部６０以外の光モジュール３の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光モジュール１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。
光導波路基板３００は、ＯＥ変換部４０が配置されないことが光導波路基板１００と相違する。光導波路基板３００の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光導波路基板１００の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。
ＯＥ変換部６０は、４対のフォトダイオード６１及び４つのトランスインピーダンスアンプ６２を有する。ＯＥ変換部６０の構成及び機能は、光導波路基板に配置されないこと以外は、ＯＥ変換部４０の構成及び機能と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
（第４実施形態に係る光モジュールの構成及び機能）
図９は、第４実施形態に係る光モジュールのブロック図である。図９において、光信号は実線で示され、電気信号は一点鎖線で示される。
光モジュール４は、光導波路基板４００を光導波路基板１００の代わりに有することが光モジュール１と相違する。また、光モジュール４は、光変調器７０を光変調器１３の代わりに有することが光モジュール１と相違する。光導波路基板４００及び光変調器７０以外の光モジュール４の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光モジュール１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。
光導波路基板４００は、光変調器７０が搭載されることが光導波路基板１００と相違する。光変調器７０が搭載されること以外の光導波路基板４００の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光導波路基板１００の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。光変調器７０は、光導波路基板４００に形成されること以外は、光変調器１３と同様の構成及び機能を有する。
（第４実施形態に係る光モジュールの作用効果）
第４実施形態に係る光モジュールは、光導波路基板上に光変調器が形成されるので、更に小型化を図ることができる。
（第５実施形態に係る光モジュールの構成及び機能）
図１０は、第５実施形態に係る光モジュールのブロック図である。図１０において、光信号は実線で示され、電気信号は一点鎖線で示される。
光モジュール５は、光導波路基板５００を光導波路基板４００の代わりに有することが光モジュール４と相違する。また、光モジュール５は、ＰＭＣ７１をＰＭＣ１１の代わりに有することが光モジュール４と相違する。光導波路基板５００及びＰＭＣ７１以外の光モジュール５の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光モジュール４の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。
光導波路基板５００は、ＰＭＣ７１が搭載されることが光導波路基板４００と相違する。ＰＭＣ７１以外の光導波路基板５００の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光導波路基板４００の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。ＰＭＣ７１は、光導波路基板５００に形成されること以外は、ＰＭＣ１１と同様の構成及び機能を有する。
（第５実施形態に係る光モジュールの作用効果）
第５実施形態に係る光モジュールは、光導波路基板上に光変調器及びＰＭＣが形成されるので、更に小型化を図ることができる。
（第６実施形態に係る光モジュールの構成及び機能）
図１１は、第６実施形態に係る光モジュールのブロック図である。図１１において、光信号は実線で示され、電気信号は一点鎖線で示される。
光モジュール６は、分波器８０、フォトディテクタ８１、可変光減衰器（Variable Optical Attenuator、ＶＯＡ）８２及び制御部８４を有することが光モジュール１と相違する。また、光モジュール６は、励起レーザ８３を励起レーザ２０の代わりに有することが光モジュール１と相違する。分波器８０、フォトディテクタ８１、ＶＯＡ８２、励起レーザ８３及び制御部８４以外の光モジュール６の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光モジュール１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明を省略する。
分波器８０は、例えば、互いの傾斜面を接合した一対のプリズムであり、光導波路基板１００から出射される送信光を２つの光に例えば１００対１の比率で分割し、分割比が低い光をフォトディテクタ８１に出力する。フォトディテクタ８１は、例えばフォトダイオードであり、分波器８０から入射される光出力パワーに応じた電流を、送信光の出力パワーを示す送信光出力パワー信号として制御部８４に出力する。
ＶＯＡ８２は、制御部８４から入力される送信光制御信号に応じて光導波路基板１００から出射される送信光を光出力パワーを増加又は減少させる。励起レーザ８３は、励起レーザ２０と同様な構成を有し、制御部８４から入力される励起光制御信号に対応する電流に応じて、出力する光の光出力パワーを増加又は減少させる。
図１２（ａ）は制御部８４の機能ブロック図であり、図１２（ｂ）は制御部８４により実行される送信光出力パワー制御処理のフローチャートを示す図である。
制御部８４は、例えば、シリコン基板上に形成されたＣＭＯＳトランジスタで形成された論理回路及びフラッシュメモリ等で形成された記憶回路によって形成される。制御部８４は、受信特性取得部８４１と、送信光出力パワー取得部８４２と、受信特性判定部８４３と、送信光出力パワー判定部８４４と、励起光制御信号出力部８４５と、送信光制御信号出力部８４６とを有する。
まず、受信特性取得部８４１は、受信光の受信特性を示す受信特性信号をＤＳＰ５０から取得する（Ｓ１０１）。受信特性は、例えば、受信光に対応する信号のエラーレートであってもよく、エラーカウントであってもよい。次いで、送信光出力パワー取得部８４２は、フォトディテクタ８１から送信光出力パワー信号を取得する（Ｓ１０２）。
次いで、受信特性判定部８４３は、Ｓ１０１の処理で取得された受信特性信号に対応する受信特性が目標とする受信特性である目標受信特性を充足しているか否かを判定する（Ｓ１０３）。受信特性が目標受信特性を充足すると判定される（Ｓ１０３−ＹＥＳ）と、送信光出力パワー判定部８４４は、送信光の光出力パワーが所定の第１光出力パワーしきい値以上であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。送信光の光出力パワーは、フォトディテクタ８１から入力される送信光出力パワー信号に対応する光出力パワーである。
光出力パワーが第１光出力パワーしきい値以上であると判定される（Ｓ１０４−ＹＥＳ）と、励起光制御信号出力部８４５は、励起レーザ８３の光出力パワーを低下させることを示す励起光制御信号を励起レーザ８３に出力する（Ｓ１０５）。励起レーザ８３の光出力パワーを低下させることを示す励起光制御信号は、例えば、励起レーザ８３に出力する電流を減少させることである。励起レーザ８３は、励起光制御信号が入力されたことに応じて、励起レーザ８３の光出力パワーを低下させる。
送信光出力パワー判定部８４４は、光出力パワーが第１光出力パワーしきい値未満であると判定する（Ｓ１０４−ＮＯ）と、送信光出力パワー信号に対応する光出力パワーが所定の第２光出力パワーしきい値以下であるか否かを判定する（Ｓ１０６）。第２光出力パワーしきい値は、第１光出力パワーしきい値より小さい。第１光出力パワーしきい値と第２光出力パワーしきい値との間の光出力パワーは、送信光の目標とする光出力パワーの範囲である。
出力パワーが第２光出力パワーしきい値以下であると判定される（Ｓ１０６−ＹＥＳ）と、励起光制御信号出力部８４５は、励起レーザ８３の光出力パワーを上昇させることを示す励起光制御信号を励起レーザ８３に出力する（Ｓ１０７）。励起レーザ８３の光出力パワーを上昇させることを示す励起光制御信号は、例えば、励起レーザ８３に出力する電流を増加させることである。励起レーザ８３は、励起光制御信号が入力されたことに応じて、励起レーザ８３の光出力パワーを増加させる。励起レーザ８３の光出力パワーが増加することで、第２送信導波路１５における送信光の増幅率が上昇して、送信光の光出力パワーが増加する。
次いで、送信光制御信号出力部８４６は、送信光を光出力パワーを増加させることを示す送信光制御信号をＶＯＡ８２に出力する（Ｓ１０８）。ＶＯＡ８２は、送信光制御信号が入力されると、送信光の減衰量を減少させて、送信光を光出力パワーを増加させる。励起レーザ８３が送信光の減衰量を減少させることで、送信光の光出力パワーが更に増加する。
出力パワーが第２光出力パワーしきい値より大きいと判定される（Ｓ１０６−ＮＯ）と、励起光制御信号出力部８４５は、励起光制御信号を出力しない。出力パワーが第１光出力パワーしきい値未満であり且つ第２光出力パワーしきい値より大きい目標範囲内であるときに、励励起光制御信号が出力されないので、励起レーザ８３は、光出力パワーを維持する。
受信特性が目標受信特性を充足していないと判定される（Ｓ１０３−ＮＯ）と、送信光出力パワー判定部８４４は、送信光の光出力パワーが第２光出力パワーしきい値以下であるか否かを判定する（Ｓ１０９）。
出力パワーが第２光出力パワーしきい値以下であると判定される（Ｓ１０９−ＹＥＳ）と、励起光制御信号出力部８４５は、励起レーザ８３の光出力パワーを上昇させることを示す励起光制御信号を励起レーザ８３に出力する（Ｓ１０７）。次いで、送信光制御信号出力部８４６は、送信光を光出力パワーを増加させることを示す送信光制御信号をＶＯＡ８２に出力する（Ｓ１０８）。
出力パワーが第２光出力パワーしきい値より大きいと判定される（Ｓ１０９−ＮＯ）と、励起光制御信号出力部８４５は、励起レーザ８３の光出力パワーを上昇させることを示す励起光制御信号を励起レーザ８３に出力する（Ｓ１１０）。励起レーザ８３の光出力パワーが増加することで、第１ローカル光導波路３７及び第２ローカル光導波路３８におけるローカル光の増幅率が上昇して、ローカル光の光出力パワーが増加する。また、励起レーザ８３の光出力パワーが増加することで、第２送信導波路１５における送信光の増幅率が上昇して、送信光の光出力パワーが増加する。
次いで、送信光制御信号出力部８４６は、送信光を光出力パワーを低下させることを示す送信光制御信号をＶＯＡ８２に出力する（Ｓ１１１）。ＶＯＡ８２は、送信光制御信号が入力されると、送信光の減衰量を増加させて、送信光を光出力パワーを低下させる。ＶＯＡ８２が送信光を光出力パワーを低下させることで、Ｓ１１０の処理で増加した送信光の光出力パワーを減少させることができる。
（第６実施形態に係る光モジュールの作用効果）
第６実施形態に係る光モジュールは、受信光の受信特性が所定の条件を充足していないと判定され且つ送信光の光出力パワーが所定の光出力パワーしきい値より大きいと判定されたときに、励起光の光出力パワーを上昇させる。このとき、第６実施形態に係る光モジュールは、送信光の光出力パワーを低下させる。第６実施形態に係る光モジュールは、受信光の受信特性を上昇させるために励起光の光出力パワーを増加させることで、送信光の光出力パワーが大きくなり過ぎることを防止するために、送信光の光出力パワーを低下させる。光ファイバ等を介して送信光を伝送するときに、送信光の光出力パワーが大きすぎると、送信光に歪みが生じて送信特性が悪化するおそれがある。第６実施形態に係る光モジュールは、励起光の光出力パワーを増加させるときに送信光の光出力パワーを低下させることで、送信光の光出力パワーが大きくなり過ぎることを防止する。
（実施形態に係る光モジュールと他の技術との比較）
表１は、実施形態に係る光モジュールと他の技術との比較を示す。表１において、ＥＤＦＡはＥＤＦＡにより光を増幅したときの特性を示し、ＳＯＡはＳＯＡにより光を増幅したときの特性を示し、ＥＤＷＡは実施形態に係る光モジュールの特性を示す。
Figure 2019036618
ＥＤＦＡにより光を増幅したとき、光利得性、ＮＦ特性、効率及びフレキシブル性は、非常に良い。しかしながら、ＥＤＦＡは、数ｍの長さの光ファイバを有するので、サイズが大きくなるという課題がある。ＳＯＡにより光を増幅したとき、光利得性は非常に良く且つ小型化が可能であるが、ＳＯＡは、パターン効果により波形が劣化するため光変調器で変調された光信号の増幅に使用することは好ましくないという課題がある。
ＥＤＷＡにより光を増幅する実施形態に係る光モジュールは、１つの周波数帯のみを増幅するデジタルコヒーレント用の光受信器であるので、光利得特性は良好になる。また、実施形態に係る光モジュールは、送信光及びローカル光に応じた波長選択の受信性能を有するように設定可能なため、雑音光の影響は軽微である。また、実施形態に係る光モジュールは、単一の励起光源で実挿入損失なく複数光路を増幅する構造となるため、励起効率が向上する。また、実施形態に係る光モジュールは、ビームスプリッタの余剰ポートを使用してローカル光と励起光とを合波するので、ＷＤＭカプラ等の合波器を不要である。また、実施形態に係る光モジュールでは、エルビウムイオン（Er+3）がドープされた導波路型ＥＤＦＡが、デジタルコヒーレント用の光受信器として導波路で製作された受信フロントエンドと一体化構造化されるので、フレキシブル性が高い。
（実施形態に係る光モジュールの変形例）
光モジュール１〜６では、エルビウムイオン（Er+3）がドープされた導波路型ＥＤＦＡが使用されるが、実施形態に係る光モジュールでは、プラセオジムイオン（Pr+3）等の他の希土類イオンがドープされた導波路型ＥＤＦＡが使用されてもよい。
また、光モジュール１〜６では、光変調器１３及び７０が使用されるが、実施形態に係る光モジュールでは、他の形式の光変調器が使用されもよい。
図１３は、変形例に係る光変調器の内部ブロック図である。
光変調器１７は、第１平面光回路１７０１と、第２平面光回路１７０２と、ＬＮ素子１７０３により形成され、第１カプラ１７１〜第５カプラ１７５と、第１変調回路１７６〜第４変調回路１７９とを有する多値数可変光変調器である。第１カプラ１７１〜第３カプラ１７３は３ｄＢカプラであり、第４カプラ１７４〜第５カプラ１７５は可変カプラであり、第１変調回路１７６〜第４変調回路１７９マッハツェンダ型光変調器である。
また、光モジュール６では、送信光の光出力パワーを低減するためにＶＯＡ８２が使用されるが、光変調器１３及び７０が使用されるが、実施形態に係る光モジュールでは、光変調器に搭載されるＶＯＡを使用して送信光の光出力パワーを低減してよい。ＶＯＡを搭載する光変調器は、例えば、「ＰＬＣ−ＬＮハイブリッド集積技術を用いた高速多値光変調器」（美野ら、ＮＴＴ技術ジャーナル 2011 Vol.23 No.3、２０１１年３月）に記載される。実施形態に係る光モジュールは、光変調器に搭載されるＶＯＡを使用して送信光の光出力パワーを低減することで、更に小型化することができる。
また、光モジュール１〜６では、励起レーザは光導波路基板の外部に配置されるが、実施形態に係る光モジュールでは、励起レーザは光導波路基板に搭載されもよい。
１〜６ 光モジュール
１０ 光源
１１ ＰＭＣ
１３ 光変調器
１５ 第２送信導波路（送信導波路）
３７ 第１ローカル光導波路（ローカル光導波路）
３８ 第２ローカル光導波路（ローカル光導波路）

Claims (4)

  1. 光源と、
    前記光源から出射された光を送信光とローカル光とに分波する分波器と、
    前記送信光を変調する光変調器と、
    前記光変調器によって変調された送信光、前記ローカル光及び受信光が入力される光導波路基板と、
    励起光を前記光導波路基板に導入する励起光源と、を有し、前記光導波路基板は、
    前記受信光をＸ偏波成分及び前記Ｘ偏波成分に直交するＹ偏波成分に分離する偏波ビームスプリッタと、
    前記ローカル光を分割するビームスプリッタと、
    前記Ｘ偏波成分及び前記Ｙ偏波成分のそれぞれと、分割された前記ローカル光とを干渉させる一対の光ハイブリッド回路と、
    前記ビームスプリッタと前記一対の光ハイブリッド回路とを接続する一対のローカル光導波路と、
    前記偏波ビームスプリッタと前記一対の光ハイブリッド回路とを接続する一対の受信光導波路と、
    前記送信光が通過する送信光導波路と、
    を有し、
    前記一対のローカル光導波路及び前記送信光導波路は、前記励起光が導入されたときに所定の周波数を有する光を増幅する希土類イオンがドープされている、光モジュール。
  2. 送信光制御信号に応じて、前記送信光の光出力パワーを調整する送信光出力調整器と、
    前記受信光の受信特性が所定の条件を充足していないと判定され且つ前記送信光の光出力パワーが所定の光出力パワーしきい値より大きいと判定されたときに、前記励起光の光出力パワーを上昇させることを示す励起光制御信号を前記励起光源に出力し、前記送信光の光出力パワーを低下させることを示す送信光制御信号を前記送信光出力調整器に出力する制御部と、
    を更に有する、請求項１に記載の光モジュール。
  3. 送信光出力調整器は、前記光変調器に搭載された可変光減衰器である、請求項２に記載の光モジュール。
  4. 光源と、
    前記光源から出射された光を送信光とローカル光とに分波する分波器と、
    前記送信光を変調する光変調器と、
    前記光変調器によって変調された送信光、前記ローカル光及び受信光が入力される光導波路基板と、
    送信光制御信号に応じて、前記送信光の光出力パワーを調整する送信光出力調整器と、
    励起光を前記光導波路基板に導入する励起光源と、を有し、前記光導波路基板は、
    前記受信光をＸ偏波成分及び前記Ｘ偏波成分に直交するＹ偏波成分に分離する偏波ビームスプリッタと、
    前記ローカル光を分割するビームスプリッタと、
    前記Ｘ偏波成分及び前記Ｙ偏波成分のそれぞれと、分割された前記ローカル光とを干渉させる一対の光ハイブリッド回路と、
    前記ビームスプリッタと前記一対の光ハイブリッド回路とを接続する一対のローカル光導波路と、
    前記偏波ビームスプリッタと前記一対の光ハイブリッド回路とを接続する一対の受信光導波路と、
    前記送信光が通過する送信光導波路と、
    を有し、
    前記一対のローカル光導波路及び前記送信光導波路は、前記励起光が導入されたときに所定の周波数を有する光を増幅する希土類イオンがドープされている、光モジュールの制御方法であって、
    受信光の受信特性が所定の条件を充足しているか否かを判定し、
    前記送信光の光出力パワーが所定の光出力パワーしきい値より以下であるか否か判定し、
    前記受信光の受信特性が所定の条件を充足していないと判定され且つ前記送信光の光出力パワーが所定の光出力パワーしきい値より大きいと判定されたときに、前記励起光の光出力パワーを上昇させることを示す励起光制御信号を前記励起光源に出力し、
    前記送信光の光出力パワーを低下させることを示す送信光制御信号を前記送信光出力調整器に出力する、
    ことを含む、光モジュールの制御方法。
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