JP5077554B2

JP5077554B2 - 光通信装置

Info

Publication number: JP5077554B2
Application number: JP2007503798A
Authority: JP
Inventors: 一徳三好
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: WO2006088227A1; JPWO2006088227A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に使用される分散補償器及びそれを備えた光通信装置に関し、特に、電気信号に対して分散補償処理を施す分散補償器及びそれを備えた光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、光ファイバを使用して相互に離隔した地点間で光信号の伝送を行っている。しかし、光信号が光ファイバ中を伝播すると、波長成分によって伝播速度が異なるため、光信号の波形が劣化する。この現象を分散という。近時、幹線系の光通信ケーブルのみならず、ＷＡＮ（Wide Area Network）及びＭＡＮ（Metropolitan Area Network）等の技術分野においても、光ファイバによる信号伝送時に、種々の分散の影響による信号劣化が問題となっている。このため、光信号の受信側において、受信した光信号に対して分散補償を行うことが必須となってきている。
【０００３】
従来は、分散補償方法として、ＤＣＦ（Dispersion Compensation Fiber）又はＤＳＦ（Dispersion Shift Fiber）等の光ファイバを、光信号の伝送路中に挿入する方法が用いられてきた。また、最近では、光信号を電気信号に変換した後に、電子回路により分散補償を行うＥＤＣ（Electrical Dispersion Compensation）が行われている。
【０００４】
しかし、光ファイバを用いる方法は伝送コストの増大を招く。また、ＥＤＣの場合は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array：プログラミング型ＬＳＩ）化等により動的分散補償が実現する可能性はあるが、消費電力の増大が避けられないという問題がある。
【０００５】
そこで、電気伝送線路を用いた分散補償器として、伝送線路をジグザクに配線したミアンダ伝送線路が知られている（例えば、特許文献１：特開平５−２２６９０１号公報、特許文献２：特開平５−２２６９０２号公報）。
【０００６】
図１Ａは、特許文献１に記載された従来の分散補償器を示す平面図であり、図１Ｂは図１Ａに示すＢ−Ｂ’線による断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、従来の分散補償器１０１は、誘電体基板１０２を有する。誘電体基板１０２の上面上には１本の伝送線路１０３が設けられている。誘電体基板１０２の表面に垂直な方向から見て（以下、平面視で、という）、伝送線路１０３はミアンダ状に、即ちジグザグに形成されている。誘電体基板１０２の下面上の全面には、導体層１０４が設けられている。導体層１０４には接地電位が印加され、グランド層となっている。図示していないが、伝送線路１０３の一端側（図１Ａの左側）には光信号−電気信号変換器が接続され、他端側（図１Ａの右側）には電気信号−光信号変換器が接続される。
【０００７】
受信した光信号は光信号−電気信号変換器で電気信号１１１に変換され、この電気信号１１１は伝送線路１０３に入力される。伝送線路１０３により、電気信号１１１に周波数に依存する遅延が付加され、光信号が光ファイバ中を伝播したことによる分散が補償される。
【０００８】
しかしながら、上述の従来技術には、以下に示すような問題点がある。即ち、図１Ａ及び図１Ｂに示す従来の分散補償器は、補償効率が低い。例えば、分散値が０．１２（ｐ秒／ＧＨｚ／ｋｍ）である通常のシングルモード光ファイバにより、伝送速度が１０Ｇｂｐｓの光信号を伝送するものとする。この場合、伝送による分散を補償しようとすると、２５６ｋｍの長さの光ファイバを補償するためには、図１Ａに示す伝送線路１０３の長さを２１ｃｍとする必要がある。この長さの伝送線路を通常の光モジュール内又は光モジュールが実装されている基板上に配置することは極めて困難である。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、補償効率が高い分散補償器及びこの分散補償器を備えた光通信装置を提供することを目的とする。
【発明の開示】
本発明による分散補償器は、絶縁性の基板と、この基板上に形成され分散特性が相互に等しく電気信号が流れたときにそれぞれの少なくとも一部が相互に電磁気的に結合する一対の伝送線路とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明による分散補償器は、一対の伝送線路が相互に電磁気的に結合するため、これらの伝送線路を流れる電気信号を効果的に遅延させることができる。特に、一対の伝送線路に差動信号を流したときに、この効果が大きい。
【００１１】
本発明による分散補償器においては、一対の伝送線路のそれぞれの少なくとも一部がミアンダ状に形成されていることが好ましい。これにより、分散補償器の小型化及び低損失化を実現することができる。
【００１２】
本発明による分散補償器においては、基板が樹脂により形成されていることが好ましい。これにより、分散補償器にフレキシブル性を付与することができ、配設の自由度が増大する。
【００１３】
本発明による光通信装置は、前述の分散補償器を有することを特徴とする。また、本発明による光通信装置は、入力された光信号を電気信号に変換して分散補償器に対して出力する光モジュールと、分散補償器から出力された電気信号に対して信号処理を施す集積回路とを有していても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】従来の分散補償器の一例を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示すＢ−Ｂ’線による断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態による分散補償器を、一対の伝送線路について示す斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施形態による分散補償器の断面図である。
【図３】第１の実施形態による分散補償器と従来の分散補償器との特性の違いを示すグラフ図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施形態による分散補償器を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による分散補償器を示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態による光通信装置を示す側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図２Ａは第１の実施形態による分散補償器を示す斜視図であり、図２Ｂは図２Ａに示す分散補償器の断面図である。図２Ａにおいては、図を簡単にするために伝送線路のみを示しており、他の構成要素を省略している。
【００１６】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１の実施形態による分散補償器１は、例えば樹脂からなる基板２を有する。基板２の上面上の全面には導電材料からなる導体層３ａが設けられている。導体層３ａ上の全面には、例えば樹脂からなる誘電体層４ａが設けられている。誘電体層４ａ上には配線層５ａが設けられている。配線層５ａは、導電材料からなる１本の伝送線路６ａと、伝送線路６ａの周囲を埋め込む絶縁材料部７ａとから構成されている。更に、配線層５ａ上の全面には、例えば樹脂からなる誘電体層４ｂが設けられている。誘電体層４ｂ上の全面には配線層５ｂが設けられている。配線層５ｂは、導電材料からなる１本の伝送線路６ｂと、伝送線路６ｂの周囲を埋め込む絶縁材料部７ｂとから構成されている。絶縁材料部７ａ、７ｂは例えば樹脂である。配線層５ｂ上の全面には、例えば樹脂からなる誘電体層４ｃが設けられている。誘電体層４ｃ上の全面には導体層３ｂが設けられている。導体層３ａ、誘電体層４ａ、配線層５ａ、誘電体層４ｂ、配線層５ｂ、誘電体層４ｃ及び導体層３ｂにより、多層配線層が形成されている。
【００１７】
配線層５ａを構成する伝送線路６ａと、配線層５ｂを構成する伝送線路６ｂとは、基板２の上面に垂直な方向から見て、即ち、平面視で、相互に重なるように配置されている。また、伝送線路６ａ及び６ｂは、それらの全体がミアンダ状に形成されている。即ち、伝送線路６ａ及び６ｂは、それぞれ、第１の方向１１に延びる部分、第１の方向に直交する第２の方向１２に延びる部分、第１の方向１１に延びる部分、第２の方向１２の反対方向である第３の方向１３に延びる部分が、この順に繰り返し配列されて、ジグザグに形成されている。
【００１８】
伝送線路６ａ及び６ｂは、それらの形状が相互に等しく、それらの分散特性が相互に等しくされている。また、配線層５ａ及び５ｂの厚さは相互に等しく、絶縁材料部７ｂは絶縁材料部７ａと同じ材料により形成されている。更に、誘電体層４ａ及び４ｃはその厚さ及び材料が相互に等しく、誘電率が相互に等しい。更にまた、導体層３ａ及び３ｂはその厚さ及び材料が相互に等しい。このようにして、分散補償器１には、マイクロストリップ差動ミアンダ結合伝送線路が設けられている。
【００１９】
次に、上述の如く構成された第１の実施形態による分散補償器１の動作について説明する。先ず、導体層３ａ及び３ｂに接地電位（基準電位）を印加する。これにより、導体層３ａ及び３ｂがグランド層となる。この状態で、伝送線路６ａ及び６ｂに差動信号、即ち、極性が相互に逆となる電気信号１４及び１５を入力する。そうすると、伝送線路６ａは導体層３ａに電磁気的に結合し、伝送線路６ｂは導体層３ｂに電磁気的に結合する。また、伝送線路６ａと伝送線路６ｂとは、それらの全長が相互に電磁気的に結合する。このとき、伝送線路６ａ及び６ｂには差動信号が流れているため、伝送線路６ａに流れる電流に起因する電磁場と伝送線路６ｂに流れる電流に起因する電磁場とが相互に強め合い、伝送線路６ａ及び６ｂに流れる電気信号を遅延させるように作用する。この結果、伝送線路６ａ及び６ｂに流れる電気信号を大きく遅延させることができる。これにより、大きな分散補償特性を得ることができる。伝送線路６ａ及び６ｂはそれらの全長にわたって電磁界的に結合関係にあり、伝送線路６ａ及び６ｂのインピーダンスは特定の周波数範囲において１００Ωに保たれている。このように、分散補償器１は、差動伝送線路としてのインピーダンス整合を行いながら、分散補償器としても動作する。
【００２０】
次に、第１の実施形態による分散補償器１の効果について説明する。２つの伝送線路の結合係数を、それぞれγ及びγ’とする。また、伝送線路の共振周波数、即ち、伝送線路の蛇行長さＬが１／４波長となる周波数をｆ_０とする。更に、伝送線路における折り返し１回当たりの位相のシフト量、即ち、長さが（２Ｌ＋２Ｇ）であるミアンダ型配線の基本単位当たりの位相シフト量をθとする。この場合、図１Ａ及び図１Ｂに示す従来の分散補償器１０１の位相シフト量θは下記数式（１）により与えられる。なお、数式（１）におけるα及びβは、それぞれ下記数式（２）及び（３）により与えられる。また、結合係数γ及びγ’は、伝送線路の形状、即ち、図１Ａ及び図１Ｂに示す線路幅Ｗ、線路厚さｔ、線路間ギャップＧ、蛇行長さＬによって決定される係数である。
【００２１】

【００２２】
群遅延特性τ（＝ｄθ／ｄω）は、数式（１）を角速度ωで微分して、下記数式（４）のように求められる。
【００２３】

【００２４】
これに対して、図２Ａ及び図２Ｂに示す第１の実施形態による分散補償器１の群遅延特性τは、伝送線路６ａと伝送線路６ｂとの間の結合係数が各伝送線路における折り返し部分での結合係数と同じである場合、下記数式（５）のように求められる。
【００２５】

【００２６】
上記数式（４）及び数式（５）からわかるように、ミアンダ型の分散補償器においては、線路幅Ｗ、線路厚さｔ、線路間ギャップＧ、蛇行長さＬを調整することにより、任意の群遅延周波数特性を得ることができる。
【００２７】
図３は、図２Ａ及び図２Ｂに示す第１の実施形態による分散補償器１と、図１Ａ及び図１Ｂに示す従来の分散補償器との特性の違いを示すグラフ図である。図３において、横軸は伝送線路に流れる電気信号の周波数であり、縦軸はその周波数における遅延量である。図３から理解できるように、第１の実施形態による差動型の分散補償器１は、従来の単線型の分散補償器と比較して、最大で約２倍の遅延量を得ることができる。即ち、第１の実施形態による分散補償器１は、従来の分散補償器と比較して、伝送線路の長さを等しくした場合には最大で約２倍の分散補償量を得ることができ、同じ分散補償量を得る場合には伝送線路の長さを約半分にすることができる。
【００２８】
また、第１の実施形態による分散補償器１は、従来の単線型のミアンダ伝送線路型分散補償器と比較して、補償範囲を拡大することができる。更に、第１の実施形態による分散補償器１においては、伝送線路６ａ及び６ｂがミアンダ状に形成されているため、小型化及び低損失化を図ることができる。更にまた、基板２、誘電体層４ａ乃至４ｃ並びに絶縁材料部７ａ及び７ｂが樹脂により形成されているため、分散補償器１にフレキシブル性を付与することができる。このため、例えば分散補償器１を湾曲させて狭いスペースに配設することができ、配設の自由度が高い。
【００２９】
第１の実施形態によれば、高価なＤＣＦやＤＳＦを設けることなく、また、消費電力が大きいＥＤＣを適用することなく、簡易で低コストな構成で効果的な分散補償器を実現することができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４Ａは第２の実施形態による分散補償器を示す平面図であり、図４Ｂは図４Ａに示すＡ−Ａ’線による断面図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第２の実施形態による分散補償器２１は、例えば樹脂からなる基板２を有する。基板２の上面上には２本の伝送線路２６ａ及び２６ｂが設けられている。伝送線路２６ａ及び２６ｂは、基板２上に設けられた１層の配線層を構成している。基板２の下面上の全面には、導体層２３が設けられている。
【００３１】
伝送線路２６ａ及び２６ｂの形状は相互に同一であり、それらの全体がミアンダ状に形成されている。伝送線路２６ａ及び２６ｂは、基板２の上面に垂直な仮想平面２４に関して面対称となる位置に配置されており、それらの分散特性が相互に等しくなっている。これにより、伝送線路２６ａと伝送線路２６ｂには、これらが最も接近しあう近接部分２７が存在することとなる。伝送線路２６ａと導体層２３との間の距離は、伝送線路２６ｂと導体層２３との間の距離と等しくなっている。
【００３２】
次に、上述の如く構成された第２の実施形態による分散補償器２１の動作について説明する。先ず、導体層２３に接地電位（基準電位）を印加する。これにより、導体層２３がグランド層となる。この状態で、伝送線路２６ａ及び２６ｂにそれぞれ差動信号１４及び１５を入力する。そうすると、伝送線路２６ａ及び２６ｂがそれぞれ導体層２３と電磁気的に結合すると共に、伝送線路２６ａと伝送線路２６ｂとが、近接部分２７において電磁気的に相互に結合する。このとき、伝送線路２６ａ及び２６ｂには差動信号が流れているため、伝送線路２６ａに流れる電流に起因する電磁場と伝送線路２６ｂに流れる電流に起因する電磁場とが近接部分２７において相互に強め合い、伝送線路２６ａ及び２６ｂに流れる電気信号を遅延させるように作用する。この結果、伝送線路２６ａ及び２６ｂに流れる電気信号を大きく遅延させることができる。なお、伝送線路２６ａ及び２６ｂは近接部分２７において電磁界的に結合関係にあるため、伝送線路２６ａ及び２６ｂの特定の周波数範囲におけるインピーダンスは、電磁界的に結合している近接部分２７では例えば約１００Ωに保たれており、結合していない部分、即ち、近接部分２７以外の部分では単線で例えば約５０Ωに保たれている。このように、第２の実施形態による分散補償器２１は、差動伝送線路としてのインピーダンス整合を行いながら、分散補償器としても動作する。
【００３３】
第２の実施形態による分散補償器２１は、第１の実施形態による分散補償器１と比較して、伝送線路２６ａと伝送線路２６ｂとの間の距離を調整することにより、任意の分散補償特性を得ることができる。また、伝送線路２６ａ及び２６ｂを同一面上に形成しているため、分散補償器の厚さを薄くすることができる。更に、伝送線路２６ａ及び２６ｂを同時に形成することができるため、製造工程を簡略化することができる。第２の実施形態における上記以外の効果は、第１の実施形態による効果と同様である。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施形態による分散補償器について説明する。図５は第３の実施形態による分散補償器を示す断面図である。図５に示す分散補償器３１の平面図は、図４Ａと同じ図になる。図５に示すように、第３の実施形態による分散補償器３１は、例えば樹脂からなる基板２を有する。基板２の上面上の全面には導電材料からなる導体層３ａが設けられている。導体層３ａ上の全面には、例えば樹脂からなる誘電体層４ａが設けられている。誘電体層４ａ上には配線層３５が設けられている。配線層３５は、導電材料からなる２本の伝送線路２６ａ及び２６ｂと、これらの伝送線路２６ａ及び２６ｂの周囲を埋め込む絶縁材料部３７とから構成されている。絶縁材料部３７は例えば樹脂である。更に、配線層３５上の全面には、例えば樹脂からなる誘電体層４ｃが設けられている。誘電体層４ｃ上の全面には導体層３ｂが設けられている。導体層３ａ、誘電体層４ａ、配線層３５、誘電体層４ｃ及び導体層３ｂにより、多層配線層が形成されている。
【００３５】
伝送線路２６ａ及び２６ｂは、第２の実施形態における伝送線路２６ａ及び２６ｂと同じものである。また、誘電体層４ａ及び４ｃはその厚さ及び材料が相互に等しく、誘電率が相互に等しい。更にまた、導体層３ａ及び３ｂはその厚さ及び材料が相互に等しい。
【００３６】
次に、上述の如く構成された第３の実施形態による分散補償器３１の動作について説明する。先ず、導体層３ａ及び３ｂに接地電位（基準電位）を印加する。これにより、導体層３ａ及び３ｂがグランド層となる。この状態で、伝送線路２６ａ及び２６ｂにそれぞれ差動信号を入力する。そうすると、伝送線路２６ａが導体層３ａ及び３ｂと電磁気的に結合し、伝送線路２６ｂが導体層３ａ及び３ｂと電磁気的に結合すると共に、伝送線路２６ａと伝送線路２６ｂとが、その近接部分２７（図４Ａ参照）において相互に電磁気的に結合する。第３の実施形態における上記以外の動作及び効果は、第２の実施形態の動作及び効果と同様である。
【００３７】
なお、上述の第１乃至第３の実施形態においては、伝送線路の全体をミアンダ状に形成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、伝送線路の一部をミアンダ状に形成してもよい。
【００３８】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態によれば光通信装置が提供される。図６は、第４の実施形態による光通信装置を示す側面図である。図６に示す光通信装置５１は、光ファイバを使用した光通信システムにおける受信器である。光通信装置５１は配線基板５２を有する。配線基板５２の端子パッド（図示せず）上には、半田バンプ５３ａ及び５３ｂが設けられている。これらの半田バンプ５３ａ及び５３ｂを介して、分散補償器１が配線基板５２に実装されている。分散補償器１は、前述の第１の実施形態による分散補償器である。分散補償器１は湾曲されており、配線基板５２上にコンパクトに配設されている。
【００３９】
分散補償器１上には、半田バンプ５４ａ及び５４ｂを介して、光モジュール５５が搭載されている。光モジュール５５には光ファイバ５６が結合されている。また、光モジュール５５内には、受信アンプ用のＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）（図示せず）が設けられている。光モジュール５５は、光ファイバ５６から入力された光信号を電気信号に変換し増幅して、分散補償器１に対して出力する。
【００４０】
更に、配線基板５２の端子パッド（図示せず）上には、半田バンプ５３ｃ乃至５３ｆが設けられており、この半田バンプ５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆを介して、ＬＳＩ５７が配線基板５２に実装されている。また、半田バンプ５３ｂは、配線基板５２内の配線（図示せず）を介して、半田バンプ５３ｃ乃至５３ｆの少なくとも一部に接続されている。ＬＳＩ５７は、分散補償器１から出力され、半田バンプ５３ｂ及び配線基板５２を介して入力された電気信号に対して、信号処理を施す。分散補償器１は、光モジュール５５とＬＳＩ５７との間で、インピーダンスマッチングが行われている。
【００４１】
次に、上述の如く構成された第４の実施形態による光通信装置の動作について説明する。光信号が、光ファイバ５６を伝播して光モジュール５５に入力される。このとき、光信号の波形は、光ファイバ５６に起因する分散により劣化している。光モジュール５５は、入力された光信号を電気信号に変換し増幅して、分散補償器１に対して出力する。分散補償器１は、前述の第１の実施形態において説明した動作により、入力された電気信号に対して分散補償を行い、補償された電気信号をＬＳＩ５７に対して出力する。ＬＳＩ５７はこの電気信号を信号処理する。
【００４２】
第４の実施形態においては、分散補償器１が小型化されており、更に湾曲させることができるため、光モジュール５５が搭載される配線基板５２上に、分散補償器１も搭載することができる。第４の実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４３】
なお、第４の実施形態においては、分散補償器として前述の第１の実施形態による分散補償器１を使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、前述の第２の実施形態による分散補償器２１又は第３の実施形態による分散補償器３１を使用してもよい。
【００４４】
また、要求される分散補償量が小さい場合には、本発明の分散補償器をＬＳＩの内部に設けることも可能である。例えば、前述の第４の実施形態においては、光モジュール５５の受信アンプ用ＬＳＩの内部又はＬＳＩ５７の内部に分散補償器を設けることもできる。この場合、分散補償器の基板としてＬＳＩの層間絶縁膜を使用し、伝送線路としてＬＳＩの配線を使用することもできる。更に、本発明の分散補償器は、通常の回路基板又はフレキシブルな樹脂基板上にも容易に形成可能である。
【００４５】
本発明による分散補償器は、分散特性が相互に等しく電気信号が流れたときに相互に電磁気的に結合する一対の伝送線路を備えることにより、電気信号を効果的に遅延させることができ、高い補償効率を実現することができる。
【００４６】
本発明は、光ファイバを使用した光通信システムの受信側の光通信装置及びその分散補償器に好適に利用することができる。

Claims

絶縁性の基板と、この基板上に形成され分散特性が相互に等しく電気信号が流れたときにそれぞれの少なくとも一部が相互に電磁気的に結合する一対の伝送線路と、前記基板上に設けられた多層配線層とを有し、前記一対の伝送線路は、前記多層配線層における相互に異なる配線層を構成しており、前記一対の伝送線路は、前記基板の表面に垂直な方向に関して相互に重なるように配置されている分散補償器と、
入力された光信号を電気信号に変換して前記分散補償器に対して出力する光モジュールと、
前記分散補償器から出力された電気信号に対して信号処理を施す集積回路と、
配線基板とを備え、
前記分散補償器はフレキシブル性を有し、前記分散補償器は湾曲されて前記配線基板に実装されていることを特徴とする光通信装置。
前記一対の伝送線路は、それぞれ少なくとも一部がミアンダ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
前記一対の伝送線路の形状が相互に等しいことを特徴とする請求項２に記載の光通信装置。
前記一対の伝送線路は、差動信号が流れるものであることを特徴とする請求項３に記載の光通信装置。
前記多層配線層は、誘電体層を介して前記一対の伝送線路を挟むように形成された一対の導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
前記一対の導体層には基準電位が印加されることを特徴とする請求項５に記載の光通信装置。