JP4924144B2

JP4924144B2 - 光通信モジュール及び半導体レーザ出力制御方法

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Publication number: JP4924144B2
Application number: JP2007086650A
Authority: JP
Inventors: 守小黒
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: EP1981135A3; CN101276029A; US20090041072A1; EP1981135A2; JP2008242366A

Description

本発明は、光通信モジュール及び半導体レーザ出力制御方法に係り、特に光通信に利用される光導波路型光回路を用いた光通信モジュール及び半導体レーザ出力制御方法に関する。

従来、光通信は、いわゆる基幹系ネットワークに適用されていた。しかし、近年においては、光通信は、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）と称されるように、基幹系ネットワークから延びユーザの使用環境に繋がる加入者系ネットワークに対して急速に適用範囲が拡大している。そして、光通信に関する技術開発として、加入者系ネットワークに適用することを想定した技術及び製品に対しても注力されるようになっている。

一般に、加入者系ネットワークにおいて使用される光通信モジュールには、基幹系ネットワークに用いられるモジュールよりも小型化及び低コスト化が要求される。そのため、適用される光通信モジュールとしては、光導波路等を使用して送信機能と受信機能を一体化した光送受信モジュールが主流となりつつある。

送信機能と受信機能を一体化した光送受信モジュールとして、双方向送受信光モジュールに関する技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術では、光導波回路チップと受発光素子とを集積し、モジュールの小型化を実現している。

一方で、半導体レーザ（以下、単に「ＬＤ」という）の発光効率は、高温で低下し低温で増加する特性を持つ。そこで、光通信モジュールのファイバ光出力が一定となるように駆動させるため、ＬＤの駆動電流を高温で増加させ、かつ、低温で低下させる技術が知られており、その様な技術において回路構成を簡易化した技術も開示されている（特許文献２参照）。
特開平４−３０６６０３号公報特開平３−９５８７号公報

ところで、実際の使用の際には、ＬＤの駆動電流Ｉｏｐの上限は、ＬＤを駆動するためのＬＤ回路の駆動能力によって制限される。また、駆動電流の下限は、パルスマスク規格を満足するために必要な緩和振動周波数により制限され、低すぎるとパルスマスク規格を満足できなくなる。このため、光送信モジュールには広い温度領域に対して狭い駆動電流Ｉｏｐ範囲が要求される。

上述の通り、加入者系ネットワークに用いられる光トランシーバ等の装置では、厳しい価格が要求されおり、コスト低減のためには高歩留りでの光モジュール製造が必須となる。光導波路を使用した従来タイプの光送信モジュールでは、上述の通り広範囲の温度領域に対して狭い駆動電流の範囲が要求される。そのためには、ＬＤの出力光が光ファイバから出力されるまでの経路の光損失ばらつきを抑える必要がある。しかし、上述の技術では、このような課題を解消することが想定されておらず、依然として、製造時の歩留り低下及びそれに伴う生産効率の低下、コスト上昇といった課題があり、これら課題を解決することが求められている。

本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであって、その目的は、ＬＤの出力光が光ファイバから出力されるまでの光損失ばらつき許容値を広げた、光通信モジュールを実現することにある。

本発明に係る装置は、光通信モジュールに関する。この装置は、半導体レーザの出力光を、接続される光ファイバへ所定値の出力で送出する光通信モジュールであって、前記半導体レーザを発振する半導体レーザ素子と、前記発振された半導体レーザの出力光が透過する際に、前記半導体レーザの出力光の一部を除去可能とすると共に、前記半導体レーザの出力光の除去の量が前記半導体レーザの発振波長及び周囲温度によって変化する光量調整部と、前記光量調整部によって除去される前記半導体レーザの出力光の量にもとづいて、前記光ファイバへの送出の出力が前記所定値となるように前記半導体レーザを発振するための駆動電流を制御する駆動制御部と、を備え、前記光量調整部は、前記半導体レーザの出力光の一部を分岐させることにより、前記半導体レーザの出力光の一部を除去して前記光ファイバへ所定値で出力するとともに、周囲温度低下に伴い除去する比率が増加する特性の光方向性結合器であって、前記駆動制御部は、前記制御する駆動電流の値が前記使用温度範囲で前記半導体レーザを駆動可能な範囲になるように制御する際に、前記光方向性結合器による前記周囲温度の低下に伴う前記除去率の増加特性を反映させて、前記周囲温度に応じた駆動電流に制御して前記半導体レーザを駆動する。
また、前記制御する駆動電流の値が前記使用温度範囲で前記半導体レーザを駆動可能な範囲は、パルスマスク規格を充足する下限値以上の範囲であってもよい。
また、前記光量調整部は、前記半導体レーザの発振波長が所定値から離間するにしたがって前記半導体レーザの出力光の除去する量が多くなるように調整してもよい。
また、前記半導体レーザの周囲温度を検出する温度検知部を有してもよい。
また、前記駆動制御部は、前記周囲温度に応じた前記半導体レーザの駆動電流の値が記憶された記憶部を有してもよい。
また、前記光方向性結合器により分岐された半導体レーザの出力光を吸収する光吸収体であってもよい。

本発明によれば、ＬＤの出力光が光ファイバから出力されるまでの光損失ばらつき許容値を広げた、光通信モジュールを実現できる。これにより、光通信モジュールの製造歩留り向上及びコスト低減が可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。本実施形態では、平面光導波型光回路（Planar Light wave Circuit：以下単に「ＰＬＣ」ともいう）上のＬＤ光入力ポート側の光導波路上に光方向性結合器を設置しＬＤの出力光を分岐することで、使用温度範囲において光通信モジュールの駆動電流Ｉｏｐをパルスマスク規格の満足する領域に制御することを可能とする。なお、実施の形態では、光通信モジュールとして、送受信機能を有する光送受信モジュールを例示するが、送信機能のみの光送信モジュールにも適用できる。

図１は、本実施形態に係るＰＬＣチップ１を含む光送受信モジュール５０の構成を示す概略概念図である。ＰＬＣチップ１上には第１及び第２の光導波路２，３が形成されており、第１の光導波路２上には方向性結合器４が設置されている。ＰＬＣは、石英基板上に光ファイバ製造技術と半導体微細加工技術とを用いて作られる石英ガラス光導波路の回路である。

ＰＬＣチップ１上にはＬＤ搭載部、受信用フォトダイオード（ＰＤ）搭載部、ファイバ搭載部が形成されており、それぞれの搭載部にＬＤ素子５、受信用のＰＤ素子６、光ファイバ７が実装さされている。また第１の光導波路２と第２の光導波路３の交差部にはＷＤＭ（波長分割多重：Wavelength Division Multiplexing）フィルタ８が貼り付けられている。また方向性結合器４の端部にはＬＤ光吸収体９が設置される。ＬＤ素子５、ＰＤ素子６、光ファイバ７、ＷＤＭフィルタ８、ＬＤ光吸収体９は、一般的に光通信のモジュールで利用されているものでよい。また、光送受信モジュール５０は、ＬＤ素子５の駆動を制御する駆動電流制御部３０を有している。

図２は、駆動電流制御部３０の機能ブロック図である。駆動電流制御部３０は、ＬＤ素子５を駆動するＬＤ駆動回路３１と、ＬＤ駆動回路３１がＬＤ素子５に供給する駆動電流を制御する電流制御回路３２を有する。駆動電流の制御は、フィード・フォワードＡＰＣ（自動出力調整）方式による。さらに、電流制御回路３２は、周囲温度を測定する温度センサ３３と、後述する各周囲温度に対応した駆動電流（バイアス電流、変調電流）の関係を記録した記憶部３４とを備える。

図１に戻り、ＬＤ素子５によって発振されたＬＤの出力光である送信光Ｐｉｎは、第１の光導波路２に結合して第１の光導波路２内を伝播する。第１の光導波路２内を伝播する際に、送信光Ｐｉｎは、方向性結合器４を透過する。その際に送信光Ｐｉｎは、透過光Ｐｔと分岐光Ｐｃに分岐し、透過光ＰｔがＷＤＭフィルタ８へ伝播する。そして、透過光ＰｔはＷＤＭフィルタ８で全反射され、第２の導波路３から光ファイバ７を通過して伝送路へ伝播していく。

また、分岐光Ｐｃは、光送受信モジュール５０内部で迷光となり受信用のＰＤ素子６に回り込んだ場合に受信感度劣化を引き起こすことがある。このため、ＬＤ光吸収体９によって分岐光Ｐｃが吸収される。一方、送信光Ｐｉｎとは異なる波長の受信光Ｐｒは、伝送路から光ファイバ７を通過した後に第２の光導波路３内を伝播し、ＷＤＭフィルタ８を透過して受信用ＰＤ素子６で受光される。つまり、ＷＤＭフィルタ８は、送信光Ｐｉｎ（透過光Ｐｔ）の波長の光を反射し、受信光Ｐｒの波長の光を透過する特性を有する。

図３は、方向性結合器４の構造を示した概念図である。方向性結合器４は、透過光用導波路２１に入力された送信光Ｐｉｎを、近接延伸部２３において、そのまま透過光用導波路２１を伝播する透過光Ｐｔと、分岐光用導波路２２を伝搬する分岐光Ｐｃとに分岐する。また、透過光Ｐｔと分岐光Ｐｃの比は、近接延伸部２３の結合長Ｌと、近接延伸部２３における透過光用導波路２１と分岐光用導波路２２との導波路間距離ｄにより制御できる。

また、方向性結合器４の分岐比は波長依存性を持っている。つまり、透過光Ｐｔと分岐光Ｐｃとの分岐の割合は、ＬＤ素子５の発振波長及び周囲温度に応じて変化する。上述の結合長Ｌと導波路間距離ｄを所望の値に設定しても、周囲温度が変化すると、方向性結合器４自体の特性として、透過光Ｐｔと分岐光Ｐｃとの分岐の割合が変化する。さらに、ＬＤは、周囲温度が変化すると、発振波長が線形的にシフトする特性を有する。発振波長がシフトすると、方向性結合器４では、透過光Ｐｔと分岐光Ｐｃとの分岐の割合が変化する。したがって、使用するＬＤ素子５の波長温度特性に合わせて方向性結合器４の分岐比を最適化することで、特定の温度で分岐光Ｐｃを増加させることを可能とする。

図４は、方向性結合器４のＬＤの出力光の波長における結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎ特性の一例を示す図である。方向性結合器４の結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎ特性では、波長が１３２５ｎｍ付近において、結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎが０となっている。波長が１３２５ｎｍから離れるにつれて、結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎが増加する。例えば、波長が１３００ｎｍ付近では、結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎは、０．１２程度となっている。つまり、送信光Ｐｉｎのうち、約１２％が分岐光Ｐｃとなり、光ファイバ７に導出される透過光Ｐｔは、送信光Ｐｉｎの約８８％である。また、波長が１３４０ｎｍの場合、結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎは０．０３程度となっている。

図５は、ＬＤ素子５の発振波長と方向性結合器４の結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎの温度変化の一例を示す図である。ＬＤ素子５の発振波長は、周囲温度が上昇するにしたがって、線形的に増加する。例えば、周囲温度が０℃のときに発振波長が約１３００ｎｍであるＬＤは、７５℃のとき約１３２５ｎｍとなる。

また、結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎに関しては、周囲温度が約７５℃以上のとき、概ね０である。つまり、送信光Ｐｉｎのほぼ１００％が透過光Ｐｔとなる。そして、周囲温度が７５℃より低くなるにつれて、結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎが上昇し、２０℃のとき約０．０９であり、０℃のとき約０．１５である。

ここで、ＬＤ素子５における駆動電流とＬＤの発振出力（光出力）との関係を説明する。図６は、ＬＤ素子５における駆動電流Ｉｏｐと発振出力Ｐとの関係を、低温Ｔ１、常温Ｔ２、高温Ｔ３の３つの周囲温度に分けて模式的に示している。

本図に示すように、周囲温度が低くなるにしたがって、必要とされる駆動電流Ｉｏｐが小さくなっている。また、駆動電流Ｉｏｐは、発振出力Ｐがちょうどゼロとなるバイアス電流Ｉｄｃと、信号の振幅を出力するための変調電流Ｉａｃとに分けられる。つまり、所望の発振出力Ｐｏを出力するための駆動電流Ｉｏｐは、バイアス電流Ｉｄｃと変調電流Ｉａｃとの和（バイアス電流Ｉｄｃ＋変調電流Ｉａｃ）となる。

例えば、高温Ｔ３の場合、バイアス電流はＩｄｃ３であり、変調電流はＩａｃ３であり、目標出力Ｐｏを出力する駆動電流Ｉｏｐは、Ｉｄｃ３＋Ｉａｃ３となる。同様に、常温Ｔ２の場合、バイアス電流はＩｄｃ２であり、変調電流はＩａｃ２であり、発振出力Ｐｏを出力するための駆動電流Ｉｏｐは、Ｉｄｃ２＋Ｉａｃ２となる。

ところで、光通信の際に信号（パルス）形状を実現するためには、駆動電流Ｉｏｐのパルス波形が、予め定められた形、つまりパルスマスク規格を満足する必要がある。そのためには、変調電流Ｉａｃを所定値以上とする必要がある。例えば、ここで変調電流Ｉａｃの下限値をＩａｃ２、バイアス電流の下限値をＩｄｃ２と仮定する。周囲温度が低温Ｔ１まで低下した場合、発振効率が向上し、上記の変調電流Ｉａｃ２、バイアス電流Ｉｄｃ２の場合、発振出力Ｐは、目標発振出力Ｐｏを大きく越えた出力Ｐａとなる。したがって、目標出力Ｐｏを越えた量（Ｐａ−Ｐｏ）を、上記の方向性結合器４が、分岐光Ｐｃとして分岐し、光ファイバ７から送出される透過光Ｐｔの出力を、目標出力Ｐｏとする。

また、方向性結合器４は、図４や図５で示した結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎ特性を有するため、ある特定の条件を除いては、分岐光Ｐｃが発生する。したがって、方向性結合器４から出る透過光Ｐｔの出力が目標出力Ｐｏとなるように、周囲温度に対応した駆動電流Ｉｏｐ（バイアス電流Ｉｄｃ、変調電流Ｉａｃ）でＬＤを発振する必要がある。そこで、図９に示すような、周囲温度と駆動電流Ｉｏｐ（バイアス電流Ｉｄｃ、変調電流Ｉａｃ）との関係を電流制御回路３２の記憶部３４に記録しておく。そして、ＬＤ素子５を発振させる際に、電流制御回路３２は、温度センサ３３が検知した周囲温度にに対応した駆動電流Ｉｏｐ（バイアス電流Ｉｄｃ、変調電流Ｉａｃ）を記憶部３４から読み出し、その駆動電流ＩｏｐがＬＤ素子５に供給されるようにＬＤ駆動回路３１を動作させる。

図７は、周囲温度とＬＤの駆動電流Ｉｏｐとの関係を、方向性結合器４を有する本実施形態の構成と、方向性結合器４を有さない構成（従来構成）について示した図である。従来構成であれば、方向性結合器４を有していないため、各温度での駆動電流Ｉｏｐは、ＬＤ素子５の発振効率の温度特性のみに応じた調整が必要とされる。したがって、周囲温度が低下した場合、発振効率が上昇するに伴い、駆動電流Ｉｏｐを下げる必要があり、駆動電流Ｉｏｐが、パルスマスク規格を満たすレベル（下限値）を下回るケースが出てくる。例えば、駆動電流Ｉｏｐの下限値が２５ｍＡである場合、従来構成では、周囲温度が概ね２５℃までしか、パルスマスク規格を満たす適正なＬＤ出力を得ることができない。

一方、本実施形態の構成であれば、同じＬＤ素子５を用いた場合であっても、方向性結合器４においても、出力の調整が成されるため、周囲温度が低下するに伴い発振効率が上昇し、駆動電流Ｉｏｐを下げる必要が出た場合であっても、従来構成と比べ下げ幅を小さくできる。その結果、従来構成において駆動電流Ｉｏｐの下限値を下回る場合であっても、本実施形態では、下限値を下回らなかったり、より低い周囲温度まで、下限値を下回らない。例えば、上述と同じように、下限値を２５ｍＡとした場合、本実施形態では最低値が周囲温度が０℃のときの約２７ｍＡであるので、本実施形態の構成における駆動電流Ｉｏｐは、図示している−４０℃から１００℃の範囲全て周囲温度で下限値を下回ることがない。

また、駆動電流Ｉｏｐの下限値が２０ｍＡの場合である場合、従来構成であっても、全周囲温度範囲で適正なＬＤ出力を得ることができる。しかしその様な場合であっても、本実施形態の様に、駆動電流Ｉｏｐを増加させる方向にシフトさせることで、下限値までのマージンを広くすることができる。つまり、許容される誤差範囲が広がるため、光送受信モジュール５０の製造時の歩留りを向上させることができる。

言い換えると、周囲温度が下がるにつれて結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎが増加する設計にすることで、方向性結合器４を設置しない従来構成と比較して低温側の駆動電流Ｉｏｐの低下を防ぎ、パルスマスク規格を満足する領域に駆動電流Ｉｏｐを制御することや、パルスマスク規格を満足するための下限値までの許容値を広くすることが可能となる。また高温側ではＬＤ駆動回路３１の駆動能力上限を超えないように分岐光Ｐｃ≒０となるよう設計することで、駆動電流Ｉｏｐが所定の値を超えて増加することを防ぐことができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。しかし、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、図８は、上述の光送受信モジュール５０から受信機能を省いた光送信モジュール６０の構成を示す概略概念図である。光送信モジュール６０のＰＬＣチップ１０上には光導波路６３が形成されており、その光導波路６３上には方向性結合器１１が設置されている。ＰＬＣチップ１０上にはＬＤ搭載部の、ファイバ搭載部が形成されており、それぞれの搭載部にＬＤ素子１２、光ファイバ１３が実装されている。また方向性結合器１１の端部にはＬＤ光吸収体１９が設置される。また、ＬＤ素子１２には、実施形態と同様の構成及び機能を有する駆動電流制御部６４が接続されている。

本発明は、光通信に用いられる光送受信モジュールや光送信モジュールに広く利用できる。

本実施形態に係るＰＬＣチップを含む光送受信モジュールの構成を示す概略概念図である。駆動電流制御部の機能ブロック図である方向性結合器の構造を示した概念図である方向性結合器の半導体レーザの波長における結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎ特性の一例を示す図である。ＬＤ素子の発振波長と方向性結合器の結合損失Ｐｃ／Ｐｉｎの温度変化の一例を示す図である。ＬＤ素子における駆動電流Ｉｏｐと発振出力Ｐとの関係を、低温Ｔ１、常温Ｔ２、高温Ｔ３の３つの周囲温度に分けて模式的に示している。周囲温度とＬＤの駆動電流Ｉｏｐとの関係を、方向性結合器を有する本実施形態の構成と、方向性結合器を有さない構成（従来構成）について示した図である。光送信モジュールの構成を示す概略概念図である

符号の説明

１・・・ＰＬＣチップ、２・・・第１の光導波路、３・・・第２の光導波路、４・・・方向性結合器、５・・・ＬＤ素子、６・・・ＰＤ素子、７・・・光ファイバ、８・・・ＷＤＭフィルタ、９・・・ＬＤ光吸収体、１０・・・ＰＬＣチップ、１１方向性結合器、１２・・・ＬＤ素子、１３・・・光ファイバ、１９・・・ＬＤ光吸収体、２１・・・透過光用導波路、２２・・・分岐光用導波路、２３・・・近接延伸部、３０・・・駆動電流制御部、３１・・・ＬＤ駆動回路、３２・・・電流制御回路、３３・・・温度センサ、３４・・・記憶部、５０・・・光送受信モジュール、６０・・・光送信モジュール、６３光導波路、６４駆動電流制御部

Claims

半導体レーザの出力光を、接続される光ファイバへ所定値の出力で送出する光通信モジュールであって、
前記半導体レーザを発振する半導体レーザ素子と、
前記発振された半導体レーザの出力光が透過する際に、前記半導体レーザの出力光の一部を除去可能とすると共に、前記半導体レーザの出力光の除去の量が前記半導体レーザの発振波長及び周囲温度によって変化する光量調整部と、
前記光量調整部によって除去される前記半導体レーザの出力光の量にもとづいて、前記光ファイバへの送出の出力が前記所定値となるように前記半導体レーザを発振するための駆動電流を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記光量調整部は、前記半導体レーザの出力光の一部を分岐させることにより、前記半導体レーザの出力光の一部を除去して前記光ファイバへ所定値で出力するとともに、周囲温度低下に伴い除去する比率が増加する特性の光方向性結合器であって、
前記駆動制御部は、前記制御する駆動電流の値が使用温度範囲で前記半導体レーザを駆動可能な範囲になるように制御する際に、前記光方向性結合器による前記周囲温度の低下に伴う前記除去率の増加特性と、前記半導体レーザ素子の発振効率の温度依存性、とから定まる前記周囲温度と前記所定値の出力となる駆動電流との関係に基づいて、前記周囲温度に応じた駆動電流に制御して前記半導体レーザを駆動する
ことを特徴とする光通信モジュール。
前記制御する駆動電流の値が前記使用温度範囲で前記半導体レーザを駆動可能な範囲は、パルスマスク規格を充足する下限値以上の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の光通信モジュール。
前記光量調整部は、前記半導体レーザの発振波長が所定値から離間するにしたがって前記半導体レーザの出力光の除去する量が多くなるように調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信モジュール。
前記半導体レーザの周囲温度を検出する温度検知部を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の光通信モジュール。
前記駆動制御部は、前記周囲温度に応じた前記半導体レーザの駆動電流の値が記憶された記憶部を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の光通信モジュール。
前記光方向性結合器により分岐された半導体レーザの出力光を吸収する光吸収体を有することを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の光通信モジュール。