JP5571741B2

JP5571741B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP5571741B2
Application number: JP2012137895A
Authority: JP
Inventors: 育生小川; 亮一笠原; 寿樹西澤; 祐司三橋
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: CN103513351A; CN103513351B; US8913889B2; JP2014002282A; EP2677355A3; US20130336652A1; CN203385905U; EP2677355A2; EP2677355B1

Description

本発明は光モジュールに関し、詳細には、デジタルコヒーレント光送受信方式を実現する光受信装置に適用可能な光モジュールに関する。

近年、通信容量の大型化を図るべく１００Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上の超高速光伝送システムの実現に向けて、様々な光通信装置が開発されつつある。１００Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上の超高速光伝送システムに用いられる光通信装置として、デジタルコヒーレント技術を利用した光通信装置が注目されている。デジタルコヒーレント光送受信方式では、光の干渉を利用して伝送データを送受信するために、受信の際に、信号光に局部発振（ＬＯ：ローカル)光を混合して信号復調し、さらにこれをデジタル信号処理することによって伝送による波長分散や偏波モード分散などの信号劣化を補償している。こうした背景から、デジタルコヒーレント受信用光フロントエンドモジュールの開発が進められている。

デジタルコヒーレント受信光フロントエンドモジュール（単に、フロントエンドモジュール、光モジュールともいう）の外観を図１に示す。図１には、フロントエンドモジュール１００について、信号光とローカル光とをそれぞれ入力する２本の光入力(光ファイバ)１０１、１０２と、フロントエンドモジュール１００の筐体１０４内のモジュールに電力等を供給する端子１０６ａ、１０６ｂと、２本の光入力が処理されて生成された出力信号が出力される出力端子１０５が表されている。フロントエンドモジュール１００では、入力信号光のパワーを一定レベルに制御するため、あらかじめ入力光パワーをモニタするためのモニタＰＤ１０３が必須の構成として採用されている。

従来のフロントエンドモジュールでは、図１に示すように、モニタＰＤ１０３はフロントエンドモジュールの外側に配置されていた。このフロントエンドモジュールでは、入力光ファイバに５％タップ率のファイバカプラを設けて入力信号光を分岐し、筐体１０４の外部のモニタＰＤ１０３でパワーをモニタしている。

しかしながら、図１に示すように筐体外部にモニタＰＤを設ける構成では、ボード上に大きな面積が必要となる上、ボード実装が煩雑となるため、モニタＰＤをフロントエンドモジュールに内蔵することが望まれている。

こうした要望に対応して、フロントエンドモジュール１１０の筐体内にモニタＰＤ１０３を内蔵した図２に示す構成がある。フロントエンドモジュール１１０の筐体内には、２つの光入力１０１、１０２からそれぞれ入力された信号光およびＬＯ光を信号処理する、ＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔ:平面光導波回路)で構成された光信号処理回路（偏波多重光ハイブリッド：ＤＰＯＨ：ｄｕａｌｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｏｐｔｉｃａｌｈｙｂｒｉｄ）１１１と、ＤＰＯＨ１１１からの出力光を集光する光学レンズ１１２、１１３と、集光された光を光電変換して電気信号として出力するための光半導体や電子回路を含む光電変換処理部（ＯＥ部）１１４とが実装されている。図２に示すフロントエンドモジュール１１０では、ＤＰＯＨ１１１の信号光出力ポートと同一端面にモニタＰＤ１０３への出力ポートを設けている。モニタＰＤ１０３には、ＤＰＯＨ１１１に５％タップ回路を設けて入力された信号光の一部パワーを出力している。このような配置はＤＰＯＨの回路レイアウト上容易である。

一般にフロントエンドモジュールのモニタＰＤでモニタすべき信号光パワーは−２０〜０ｄＢｍであり、５％タップの場合には−３３ｄＢｍを精度よく受光する必要がある。一方で、ＬＯ光は最大＋１６ｄＢｍが入力されるため、ＬＯ光とモニタＰＤとは５０ｄＢ程度のアイソレーションが必要となる。しかしながら、図２に示すようにＤＰＯＨ１１１の信号光出力ポートと同一端面にモニタＰＤ１０３への出力ポートを設ける構成では、ＤＰＯＨ１１１の光入力端で発生するＬＯ光の非結合光が迷光としてモニタＰＤ１０３にダイレクトに入射してしまい、十分なアイソレーションがとれず、精度よく信号光パワーをモニタすることができない問題がある。

そこで図３に示すような構成が考えられる。図３に示すフロントエンドモジュール１２０では、ＤＰＯＨからの８ポートの出力信号光を光学レンズ１１２、１１３からなる２系統の光学系を用いてＯＥ部と光接続するとともに、モニタＰＤ１０３への出力ポートをＤＰＯＨ１１１内で引き回し、入力ファイバ１０１、１０２との接続端面と同一端面にモニタＰＤ１０３を配置している。図３に示す構成にすると、ＤＰＯＨ１１１からレンズ１１２、レンズ１１３またはＯＥ部１１４までの狭小な領域にモニタＰＤ１０３を配置する必要がなく、実装工程が容易になる。さらに、ＤＰＯＨ１１１の光入力端で発生するＬＯ光からの迷光がモニタＰＤにダイレクトに入射することを避けられるため、図２に示す構成に比較してＬＯ光とモニタＰＤのアイソレーションを高めることができる。

しかしながら図３の構成でも、迷光は各部の反射を経て複雑な経路でモニタＰＤ１０３に到達するため、依然として５０ｄＢのアイソレーションを確保することは困難である。

そこで本発明者らが図３の構成における迷光について鋭意検討したところ、図４に示すように、迷光は主に１）光ファイバ１０１、１０２とＤＰＯＨ１１１との接続強度を向上させるために設けられるヤトイ１１５および光ファイバ１０１、１０２を所定位置に整列して保持するとともにＤＰＯＨとの接続に供するためのファイバ・ブロック１１７内部において複数回の反射を経てモニタＰＤに達する経路、２）基板１１８の底面とクラッド層１１９上面で反射を繰り返し、基板１１８とクラッド層１１９の内部を伝搬し、入力端と対向する端面で折り返してモニタＰＤ１０３に達する経路をたどることが分かった。特に、従来予見されていなかった１の経路が最短距離でモニタＰＤに到達することからきわめて大きい成分であることを見出して本発明に至った。

本発明の課題は、デジタルコヒーレント光送受信方式を実現する光受信装置のフロントエントモジュールとして用いることができ、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションを十分とることにより、精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールを提供することである。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、デジタルコヒーレント光送受信方式により光を受信するための光モジュールであって、受信した信号光と該信号光と干渉させるためのローカル光とをそれぞれ入力するための２本の光ファイバと、前記２本の光ファイバと一端において接続されており、該２本の光ファイバから入力された信号光およびローカル光を干渉させて、前記一端と対向する他端から出力すると共に、前記入力された信号光の一部を分岐して前記一端の所定部位から出力する光信号処理回路と、前記光信号処理回路の前記他端から出力された光を光電変換して出力信号として出力する信号出力部と、前記光信号処理回路の前記一端の所定部位から出力された信号光の光路上に配置され、前記分岐された信号光のパワーをモニタするモニタＰＤとを備え、前記光信号処理回路は、基板と、該基板上に積層されたコアおよびクラッド層からなる光導波路層と、前記一端においてクラッド層上部に積層されたヤトイとを有し、モニタＰＤに対向する光信号処理回路の端面において、前記分岐された信号光が出力される所定部位に位置合わせされた開口部を有する遮光部材が、基板、クラッド層およびヤトイの端面に亘って設けられていることを特徴とする光モジュールである。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の光モジュールにおいて、前記光信号処理回路の出力端に無反射処理部を設けたことを特徴とする。

従来のフロントエンドモジュールの外観を示す図である。従来のフロントエンドモジュールの構成例を示す図である。改良したフロントエンドモジュールの構成例を示す図である。迷光の問題を説明する図であり、（ａ）は光信号処理回路（ＤＰＯＨ）部の上面図であり、（ｂ）は光信号処理回路（ＤＰＯＨ）部の断面図である。本発明の光モジュールとして採用される光モジュールの構成例を示す図である。第１の実施形態の光モジュールの構成例を示す図である。第２の実施形態の光モジュールの構成例を示す図である。第３の実施形態の光モジュールの構成例を示す図である。第４の実施形態の光モジュールの構成例を示す図である。第５の実施形態の光モジュールの構成例を示す図である。第６の実施形態の光モジュールの構成例を示す図である。第７の実施形態の光モジュールの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図５は本発明の光モジュールとして採用されるデジタルコヒーレント受信用光フロントエンドモジュールの構成例を示す図である。フロントエンドモジュール１は、２本の光ファイバ１１、１２と、光信号処理回路１３と、レンズ１４、１５と、フォトダイオード（ＰＤ）１６と、電気配線部１７と、開口部を有する遮光部材１８と、モニタＰＤ１９を備えて構成されている。なお、以下の説明では、光信号処理回路１３の具体的な例の一つとしてＤＰＯＨを挙げているが、ＤＰＯＨ以外の光信号処理回路、あるいはＤＰＯＨと共に他の光信号処理機能を有する光回路が集積された光信号処理回路の場合でも本発明を適用可能である。

ＤＰＯＨ１３は、基板１３１上に光回路を構成するクラッド層１３２が積層され、さらに光入力端と光出力端におけるクラッド層１３２上部にヤトイ１３３、１３５が積層されて構成されている。光ファイバ１１、１２はガラス部材からなるファイバ・ブロック１３４に整列・固定されており、ヤトイ１３３、ファイバ・ブロック１３４の端面において光ファイバ１１、１２とＤＰＯＨ１３とが接続されることにより、接続強度を向上させている。ヤトイ１３３、ファイバ・ブロック１３４は、ＤＰＯＨ１３と熱膨張係数が近い材料で構成することが好ましく、例えば、ＤＰＯＨ１３がＳｉ基板上に石英系ガラスからなるコアおよびクラッド層を堆積して形成した石英系ＰＬＣで構成される場合は、ヤトイ１３３、１３５、ファイバ・ブロック１３４も石英系ガラスを用いることができる。

フロントエンドモジュール１では、２本の光ファイバ１１、１２から、それぞれ信号光とＬＯ光とが入力され、入力された信号光およびＬＯ光がＤＰＯＨ１３で光信号処理される。例えば、２本の入力信号が光信号処理されて８本の光出力信号として８つの出力ポートから出力される。ＤＰＯＨ１３内の光回路において、受信した信号光をＬＯ光と干渉させることにより位相変調された信号光を９０°の位相差を持つ直交成分に分離して出力する。ＤＰＯＨ１３から出力された光信号はレンズ１４、１５により集光され、ＰＤ１６で光電変換処理された後、電気配線部１７において電気信号処理されてフロントエンドモジュール１から出力される。

また、ＤＰＯＨ１３は、光ファイバ１１から入力された信号光の一部をタップ(分岐)して入力端面の所定部位から出力されるよう回路構成されている。このＤＰＯＨ１３の入力端面の所定部位の周囲には、開口部を有する遮光部材１８が設けられている。遮光部材１８は、タップされた信号光の光路上に開口が位置合わせされて、ＤＰＯＨ１３の基板、クラッド層、ヤトイに亘って設けられている。モニタＰＤ１９は、タップされた信号光を受光できるように、ＤＰＯＨ１３の光入力端面と同一端面に、開口部を有する遮光部材１８の開口からの出力光に光学的に接続されるよう配置されている。モニタＰＤ１９により信号光の一部をモニタすることで、信号光の受信強度を推定してＬＯ光または信号光の強度を制御することができる。

本発明の光モジュールでは、以下の実施態様に示す構成により、従来予見されていなかった、ヤトイ１３３内部の複数回の反射を経てモニタＰＤに達する経路をたどる迷光（第１の迷光）だけでなく、基板１３１の底面とクラッド層１３２上面で反射を繰り返し、基板１３１とクラッド層１３２の内部を伝搬し、ＤＰＯＨ１３の入力端と対向する端面で折り返してモニタＰＤ１９に達する経路をたどる迷光（第２の迷光）もモニタＰＤ１９に入射されないようにすることにより、ＬＯ光１１とモニタＰＤ１９とのアイソレーションを十分とり、精度よく信号光パワーをモニタすることができる構成としている。

具体的には、図６に示すように、モニタＰＤ１９に対向するＤＰＯＨ１３の回路端面において、ヤトイ１３３、クラッド層１３２、基板１３１に亘って、開口部を有する遮光部材１８を設けている｛第１の実施形態｝。さらにこの構成に、以下の１から４の態様を組み合わせて用いることにより、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションの更なる向上を図ることができる。これらの構成について、以下の実施形態に分けて具体的構成を説明する。
１）迷光が反射するヤトイガラスの一部に無反射処理を施す態様（第２、第３の実施形態）
２）クラッド上面に無反射処理を施す態様（第４の実施形態）
３）Ｓｉ基板または基板底面に光吸収性を付与する態様（第５、第６の実施形態）
４）ＤＰＯＨ回路の光入力端と反対側の迷光が反射する端面に無反射処理を施す態様（第７の実施形態）

（第１の実施形態）
図６は第１の実施形態の光モジュールのＤＰＯＨ１３部分を示す図である。（ａ）がＤＰＯＨ１３部分の上面図であり、（ｂ）がＤＰＯＨ１３部分の断面図である。本実施形態の光モジュールは図６に示すように、モニタＰＤ１９に対向するＤＰＯＨ１３の端面、すなわち光入力端面において、開口部を有する遮光部材１８を、ヤトイ１３３、クラッド層１３２、Ｓｉ基板１３１に亘って設ける構成である。遮光部材１８は、例えばいわゆるピンホール、スリット等の形態を採用できる。例えば、ピンホールは、３００μｍ厚の石英ガラス板の一面（ＤＰＯＨ１３と接する面と反対の面）にカーボン含有光吸収樹脂を塗布してパタン化し、この石英ガラス板をＵＶ接着剤を用いてＤＰＯＨ１３の回路端面に貼りつけて設けることができる。カーボン含有光吸収樹脂の代わりに、光吸収樹脂ではなく、高反射膜を用いてもよい。また、高反射膜や光吸収剤をＤＰＯＨ１３の回路端面自体に直接形成してもよい。

本実施形態によれば、予め位置決めされた開口部分以外から到来する迷光を遮断できるので、ＬＯ光とモニタＰＤとの十分なアイソレーションが得られ、精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールが得られる。特に、上述のように強度の高い迷光成分はヤトイガラスやＳｉ基板の経路を経てモニタＰＤに達するので、光導波路層のみでなく、ヤトイ、Ｓｉ基板に亘って遮光部材を設けることで迷光を有効に遮断することができる。

（第２の実施形態）
図７は第２の実施形態の光モジュールのＤＰＯＨ１３部分を示す図である。（ａ）がＤＰＯＨ１３部分の上面図であり、（ｂ）がＤＰＯＨ１３部分の断面図である。本実施形態の光モジュールは第１の実施形態の構成に加えて、図７に示すように、迷光を反射するヤトイ１３３の一部に無反射処理を施した無反射処理部２０を設けた態様である。無反射処理とは、迷光が反射方向に戻らないように処理することをいい、例えばＡＲコートした石英ガラス板を貼り付ける態様や、光吸収する黒色塗料を塗布する態様を含む。この実施形態の光モジュールでは、最も強度の高い迷光の第一反射点である部分、すなわちＤＰＯＨ１３の光入射端と対向するヤトイ１３３の端面に、無反射処理部２０であるＡＲコート付き石英ガラス板をＵＶ接着剤で貼りつけて構成している。無反射処理部２０はＡＲコートではなく、光吸収剤を塗布したガラス板でもよく、またＡＲ膜や光吸収剤をヤトイに直接形成してもよい。

本実施形態によれば、迷光の多重反射によるモニタＰＤへの入射強度を低減することにより、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションをさらに向上でき、さらに精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールが得られる。

(第３の実施形態)
図８は第３の実施形態の光モジュールのＤＰＯＨ１３部分を示す図である。（ａ）がＤＰＯＨ１３部分の上面図であり、（ｂ）がＤＰＯＨ１３部分の断面図である。本実施形態の光モジュールは第２の実施形態の構成に加えて、図８に示すように、ヤトイ１３３として、迷光の第一反射面（光入射端と対向するヤトイ１３３の端面）とは異なる第二反射面（上面）にもＡＲコートを施した無反射処理部２１を設けた態様である。

本実施形態によれば、迷光の多重反射によるモニタＰＤへの入射強度をさらに低減することにより、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションをさらに向上でき、さらに精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールが得られる。

（第４の実施形態）
図９は第４の実施形態の光モジュールのＤＰＯＨ１３部分を示す図である。（ａ）がＤＰＯＨ１３部分の上面図であり、（ｂ）がＤＰＯＨ１３部分の断面図である。本実施形態の光モジュールは第１の実施形態の構成に加えて、図９に示すように、クラッド層１３２上面に無反射処理を施した無反射処理部２３を設けた態様である。

本実施形態によれば、Ｓｉ基板の底面とクラッド層上面の間の多重反射による迷光経路を除くことにより、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションをさらに向上でき、さらに精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールが得られる。

（第５の実施形態）
図１０は第５の実施形態の光モジュールのＤＰＯＨ１３部分を示す図である。（ａ）がＤＰＯＨ１３部分の上面図であり、（ｂ）がＤＰＯＨ１３部分の断面図である。本実施形態の光モジュールは第１の実施形態の構成に加えて、図１０に示すように、基板に光吸収性を付与した基板１３１ａを用いた態様である。この例では、光吸収性を付与した基板として低抵抗Ｓｉ基板を用いた。

本実施形態によれば、低抵抗Ｓｉ基板内では基板の光吸収性により、迷光の減衰率が高く、長い距離を伝搬することができないため、有効に迷光を除去することができる。これにより、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションをさらに向上でき、さらに精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールが得られる。

（第６の実施形態）
図１１は第６の実施形態の光モジュールのＤＰＯＨ１３部分を示す図である。（ａ）がＤＰＯＨ１３部分の上面図であり、（ｂ）がＤＰＯＨ１３部分の断面図である。本実施形態の光モジュールは第１の実施形態の構成に加えて、図１１に示すように基板１３１底面に光吸収性を付与した光吸収性付与部２４を設けた態様である。例えばＰＬＣを金属マウントに接着固定する際に、カーボン含有する黒色接着剤を用いて光吸収性付与部２４として構成することができる。

本実施形態によれば、基板底面の反射率が低減させることにより、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションをさらに向上でき、さらに精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールが得られる。

（第７の実施形態）
図１２は第７の実施形態の光モジュールのＤＰＯＨ１３部分を示す図である。（ａ）がＤＰＯＨ１３部分の上面図であり、（ｂ）がＤＰＯＨ１３部分の断面図である。本実施形態の光モジュールは第１の実施形態の構成に加えて、図１２に示すように、ＤＰＯＨ１３の光入力端と反対側の迷光が反射する端面に無反射処理を施した無反射処理部２５を設けた態様である。例えば、モニタＰＤ１９に対向する面と反対の面、すなわちＤＰＯＨ１３の出力端面にも、ＡＲコートした３００μｍ厚の石英ガラス板をＵＶ接着剤を用いて貼りつけることにより無反射処理部２５を設けることができる。また、無反射処理部２５は、好ましくは、ＤＰＯＨ１３の８つの出力ポートの間に位置する部位に設けることが好ましい。出力ポートの間が最も迷光が集中しやすい部分であるからである。

本実施形態によれば、ＤＰＯＨの出力端面で反射する迷光を減衰させることにより、ＬＯ光とモニタＰＤとのアイソレーションをさらに向上でき、さらに精度よく信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールが得られる。

以上に説明した第２の実施形態から第７の実施形態は、それぞれ組み合わせてもよく、組み合わせたことにより、より精度の高い信号光パワーをモニタすることが可能な光モジュールを得ることができる。

１、１００、１１０、１２０フロントエンドモジュール
１１、１２、１０１、１０２光ファイバ
１９、１０３モニタＰＤ
１０４筐体
１０６ａ、１０６ｂ端子
１０５出力端子
１３、１１１ＤＰＯＨ（光信号処理回路）
１１８、１３１基板
１１９、１３２クラッド層
１４、１５、１１２、１１３光学レンズ
１６フォトダイオード（ＰＤ）
１７電気配線部
１８開口部を有する遮光部材
１１４光電変換処理部（ＯＥ部）

Claims

デジタルコヒーレント光送受信方式により光を受信するための光モジュールであって、
受信した信号光と該信号光と干渉させるためのローカル光とをそれぞれ入力するための２本の光ファイバと、
前記２本の光ファイバと一端において接続されており、該２本の光ファイバから入力された信号光およびローカル光を干渉させて、前記一端と対向する他端から出力すると共に、前記入力された信号光の一部を分岐して前記一端の所定部位から出力する光信号処理回路と、
前記光信号処理回路の前記他端から出力された光を光電変換して出力信号として出力する信号出力部と、
前記光信号処理回路の前記一端の所定部位から出力された信号光の光路上に配置され、前記分岐された信号光のパワーをモニタするモニタＰＤとを備え、
前記光信号処理回路は、基板と、該基板上に積層されたコアおよびクラッド層からなる光導波路層と、前記一端においてクラッド層上部に積層されたヤトイとを有し、モニタＰＤに対向する光信号処理回路の端面において、前記分岐された信号光が出力される所定部位に位置合わせされた開口部を有する遮光部材が、基板、クラッド層およびヤトイの端面に亘って設けられていることを特徴とする光モジュール。
前記光信号処理回路の光入力端と対向するヤトイの端面に無反射処理部を設けたことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記ヤトイの上面に無反射処理部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の光モジュール。
前記クラッド層上面に無反射処理部を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光モジュール。
前記基板に光吸収性を付与したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光モジュール。
前記基板の底面に光吸収性付与部を設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光モジュール。
前記光信号処理回路の出力端に無反射処理部を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光モジュール。