JP5742947B2

JP5742947B2 - 受光モジュール

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Publication number: JP5742947B2
Application number: JP2013532407A
Authority: JP
Inventors: 功冨田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN103858039B; CN103858039A; JPWO2013035227A1; US20140217270A1; US9383528B2; WO2013035227A1

Description

本発明は、受光モジュールにかかり、特に、光通信に用いる受光モジュールに関する。

近年、通信トラフィックの急激な増加により、伝送容量の拡大が必要となっている。光通信モジュールは、光ネットワークシステムのキーデバイスであり、システムの高速・大容量化に伴い、光通信モジュールの小型化・高速化が求められている。

多くの光通信用光受光モジュールでは、光信号を伝送する光ファイバ、伝送路から送られてきた光信号を光−電流変換するPD（Photo Diode）、その電流信号をインピーダンス変換、増幅し、電圧信号として出力するTIA（Trans Impedance Amplifier）を有し、セラミックパッケージに搭載される。

ここで、高速化のため、10Gbps×4で40Gbps、25Gbps×4で100Gbpsを実現するなどモジュール内部を多チャンネル化して光通信モジュールの高速化を行う技術が増えている。

受光モジュールの高速化を実現するためには、電気信号の損失を少なくするために電気部品を同一基板に搭載しGND接地を共通化することや、部品間配線長を極力短くする必要がある。そこで、デジタルコヒーレントレシーバモジュールのような多チャンネルの高速受光モジュールでは、PLCで生成された多チャンネルの干渉信号光を折り曲げ、TIA、セラミック配線基板と同一のキャリア上に実装されたPDへ光を入射する構造が一般に知られている。

また、受光モジュールでは、伝送してきた信号光の強度を確認するために、モニタ用PDを搭載し、タッププリズムを介して信号レベルをモニタする構造がある。そして、光路間にプリズムなどの光学部品を挿入する場合には、拡大・集束光では部品特性が安定しないため、コリメート光学系を用いることが一般的である。

ここで、受光モジュールでは、光源となる素子がないため、光ファイバ側から光を入射し、PD電流値を確認しながらアクティブに実装する方法が一般的である。また、内部搭載部品の種類や構造によっては、PD順電流を流すことで光るPDの微かな光を光源として、コリメート光となるためのレンズの搭載位置を決めることもできる。

特開昭６３−１３９３０７号公報

しかしながら、信号光を多チャンネルに分岐する構造をとる受光モジュールでは、PD順電流による微弱な光からは、入射端までの伝搬損によってモニタできるほどの光量を得ることができない、という問題がある。そのため、レーザ光源を光路反対方向に入射させて光量の大きなダミー光をモニタして実装する方法も考えられる。ところが、パッケージ外部に光ファイバを配置する構造をとる受光モジュールでは、パッケージ外壁が障害となりダミー光を挿入する方法がない。つまり、受光モジュールにおいてレンズの位置決めが困難である、という問題がある。

なお、特許文献１には、関連する技術として、レンズ系に光源からの光線が直接入射する構成の発光モジュールにおいて、ダミー光源を設けることにより光軸調整を行うという技術が開示されている。ところが、上述したように受光モジュールにおいては、パッケージ外壁が障害となるため、上記特許文献１に開示の技術を適用することは困難である。

このため、本発明の目的は、上述した課題である、受光モジュールにおけるレンズの位置決めが困難であることを解決することにある。

本発明の一形態である受光モジュールは、
光ファイバから入射された信号光をコリメートするレンズと、このレンズにてコリメートされ出射された信号光が入射されるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と、このＰＬＣから出射された信号光を所定の方向に反射させると共に透過させる機能を有するミラーと、このミラーにて反射させた信号光を受光する受光素子と、を備え、
前記ミラーは、前記ＰＬＣから出射された信号光を透過する方向とは反対方向からも光を透過させる機能を有し、
前記ミラーに対して当該ミラーを透過する前記信号光の出射側に、外部から入射される外部光を前記ＰＬＣの方向に反射させ、この反射された外部光を、前記信号光の透過方向とは反対方向から前記ミラーを透過させて前記ＰＬＣに入射させ当該ＰＬＣを介して前記光ファイバに導光させるダミーミラーを備えた、
という構成をとる。

また、本発明の他の形態である受光モジュールの調整方法は、
光ファイバから入射された信号光をコリメートするレンズと、このレンズにてコリメートされ出射された信号光が入射されるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と、このＰＬＣから出射された信号光を所定の方向に反射させると共に透過させる機能を有するミラーと、このミラーにて反射させた信号光を受光する受光素子と、を備え、
前記ミラーは、前記ＰＬＣから出射された信号光を透過する方向とは反対方向からも光を透過させる機能を有し、
前記ミラーに対して当該ミラーを透過した前記信号光の出射側に、外部から入射される外部光を前記ＰＬＣの方向に反射させ、この反射された外部光を、前記信号光の透過方向とは反対方向から前記ミラーを透過させて前記ＰＬＣに入射させ当該ＰＬＣを介して前記光ファイバに導光させるダミーミラーを備えた受光モジュールにて、
前記ダミーミラーに前記外部光を入射し、
前記光ファイバ側から前記外部光を検出して、その検出値に応じて構成部品の位置を調整する、
という構成をとる。

本発明は、以上のように構成されることにより、受光モジュールにおけるレンズの位置決めが容易となる。

本発明の実施形態１における受光モジュールの構成を示す図である。本発明に関連する受光モジュールの構成を示す図である。図１に開示した受光モジュールの一部の構成を示す図である。図１に開示した受光モジュールの一部の構成を示す図である。本発明の実施形態１における受光モジュールの他の構成を示す図である。

＜実施形態１＞
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図５を参照して説明する。図１（Ａ）に、本実施形態における受光モジュールの上面図を示し、図１（Ｂ）にその側面図を示す。図１に示すように、受光モジュールは、周囲をセラミックパッケージ１６にて囲まれて構成されており、信号光と局発光をパッケージ１６内に入射するための光ファイバ１がそれぞれ接続され、これら各光ファイバ１からの入射光をそれぞれコリメートするためのレンズ２を備えている。

そして、受光モジュールは、パッケージ１６内に、上記レンズ２にてコリメートされた信号光の一部を分岐するためのタッププリズム５（信号光分岐手段）と、このタッププリズム５にて分岐された信号光の入射を受けて受光レベルを検出してモニタするPD（Photo Diode）（信号光レベル検出素子）４と、タッププリズム５を透過した信号光及び局発光である各コリメート光をそれぞれPLC７へ集光する各集光レンズ６と、コヒーレントミキサー機能を持つPLC（Planar Lightwave Circuit）７と、これらを支持する素子キャリア３と、を備える。

また、受光モジュールは、パッケージ１６内に、PLC７から出射された干渉光をコリメートするレンズ８と、この干渉光の光路変更を行うミラー１０と、PLC７から出射された信号光と局発光との干渉信号を受光して光−電気変換するPD（Photodiode）（受光素子）１２と、干渉光をPD１２へ結合するレンズ９と、を備える。さらに、受光モジュールは、パッケージ１６内に、PD１２から出力された電流を電圧変換するTIA（Transimpedance Amplifier）１３と、配線基板１４と、PD１２等を支持する基板キャリア１５と、パッケージ１６外部からPLC７へ光入射を行うためのダミーミラー１１と、を備える。かかる構成により、DP-QPSK用のデジタルコヒーレントレシーバモジュール（受光モジュール）が構成されている。

DP-QPSK方式の受光モジュールでは、信号光のTE、TM成分を分岐し、局発光と遅延干渉させることで、２対×４つの計８ポート分の出力を得る。それを差動TIA１３で受信することで、伝送路を通ってきた変調信号光を復調させる。PLC７からの出射光８ポート分の光出力を得るため、パッケージ１６内には、８つのPD、信号復調のため４つのTIAが必要となっている。ここで、PD-TIA間距離が長くなると高周波特性が悪化するため、PD１２、TIA１３を可能な限り接近させて実装することで良好な電気特性を得る構造が一般的である。PD１２とTIA１３を隣接して配置し、PLC７からの出射光をPD１２にて受光するために、PLC７からの出射光を折り曲げて８連PDに受光させる。

また、図２に本発明に関連する他の受光モジュールの構成を示す。この図２に示す他の受光モジュールとは異なり、本発明における受光モジュールでは、信号光レベルモニタのため、PLC７入射前にモニタ用PD４とタッププリズム５とを設け、当該タッププリズム５にて信号光の一部を入射方向に対して90°の方向に分岐してモニタ用PD4にて信号光の光レベルをモニタする。このとき、タッププリズム５にて一定割合の光を分岐するために、PLC７入射側の光学系はコリメート光学系とする必要があり、パッケージ１６外部に入射光をコリメートするレンズ２を搭載すると共に、タッププリズム５透過後側に集光レンズ６（第二レンズ）を搭載している。

ここで、パッケージ１６外部のレンズ２と光ファイバ１とを高精度に固定するためには、信号伝搬とは反対方向に光を入射してPLC７を伝搬させ、集光レンズ６にてコリメートされた光をパッケージ１６外部でモニタしながら、集光レンズ６の位置調整を行う必要がある。このため、集光レンズ６は、位置調整できるよう可動可能に装備されている。

しかしながら、パッケージ１６内に部品が搭載された状態では、パッケージ１６の外壁が障害となってしまい、PLC７へ光を入射する方法がこれまではなかった。

そこで、本発明では、PLC７からの出射干渉光をPD１２側へ反射させるミラー１０に透過帯域を設け、このミラー１０にさらにPLC７からの出射干渉光を上面方向に反射するダミーミラー１１を貼り付けることによって、パッケージ１６外部からPLC７へ光の入射を可能としている。具体的に、ミラー１０とダミーミラー１１について、図３及び図４を参照して説明する。

上記ミラー１０は、図３の実線矢印に示すように、信号波長帯域であるλ１〜λｎの光を、光ファイバ１側からミラー１０側に向かう方向である光の入射方向に対して90°の方向（図３，４では、PD１２が設置されている下方向）に屈曲させて反射すると共に、その他の波長帯域（λｎ〜）は、図３の点線矢印に示すように、入射方向に透過する特性を持つ。また、ミラー１０は、図４の点線矢印に示すように、上記とは逆方向にも光を透過させる特性、つまり、入射方向に対して逆方向からの光を光ファイバ１側に透過させる特性も有する。

また、上記ダミーミラー１１は、上記ミラー１０に隣接して、上述した入射方向における後端側に設けられており、受光モジュールに対して着脱自在である。そして、ダミーミラー１１は、ミラー１０における透過帯域の光（波長帯域λｎ〜）を90°屈曲させて反射する特性を有する。具体的に、ダミーミラー１１は、図３の点線矢印に示すように、上述した入射方向に対して上方（ミラー１０の反射方向とは逆方向）に向かって90°屈曲させるよう反射する。このように、ミラー１０とダミーミラー１１の反射方向は、180°異なるよう配置されている。

そして、上述した受光モジュールのパッケージ１６外部に、光ファイバ１とレンズ２とを実装する際には、まず、図４の点線矢印に示すようにパッケージ１６の上面側からダミーミラー１１に向けて外部光（ダミー光）であるコリメート光を入射する。すると、ダミーミラー１１にて外部光がミラー１０側に向かって反射し、当該ミラー１０を透過してPLC７に入射する。そして、PLC７の導波路を伝搬した外部光は光ファイバ１まで伝搬するため、パッケージ１６外部に位置する光ファイバ１にて外部光を検出してモニタする。このモニタした外部光の検出値に応じて、受光モジュールを構成する構成部品の位置を調整する。例えば、光ファイバ１にカメラを設置して当該カメラにてモニタした外部光の光入力パワーが最大となるようタッププリズム５とPLC７の間に配置された集光レンズ６の位置を調整する。また、カメラを光ファイバ１の軸方向に沿って動かして光の大きさが変わらない位置となるよう、つまり、コメリート光となるよう、タッププリズム５とPLC７の間に配置された集光レンズ６の位置を調整する。

以上のようにして受光モジュールを調整することで、信号光入射側のコリメート光学系を実現することができる。そして、光ファイバ１から入射された信号光と局発光との干渉光は、図４の実線矢印に示すように、ミラー１０で反射されてPD１２に入射され、受光モジュールとしての機能を果たす。ここで、上述したようにレンズ６の位置を調整した後に、図５に示すようにダミーミラー１１は取り外して、受光モジュールとして使用してもよい。なお、上記では、タッププリズム５とPLC７との間に配置されたレンズ６の位置を調整する場合を一例に挙げて説明したが、他の構成部品の位置を調整して、受光モジュールの精度を上げるようにしてもよい。

＜付記＞
上記実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうる。以下、本発明における受光モジュール及びその調整方法の構成の概略を説明する。但し、本発明は、以下の構成に限定されない。

（付記１）
光ファイバから入射された信号光をコリメートするレンズと、このレンズにてコリメートされ出射された信号光が入射されるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と、このＰＬＣから出射された信号光を所定の方向に反射させると共に透過させる機能を有するミラーと、このミラーにて反射させた信号光を受光する受光素子と、を備え、
前記ミラーは、前記ＰＬＣから出射された信号光を透過する方向とは反対方向からも光を透過させる機能を有し、
前記ミラーに対して当該ミラーを透過する前記信号光の出射側に、外部から入射される外部光を前記ＰＬＣの方向に反射させ、この反射された外部光を、前記信号光の透過方向とは反対方向から前記ミラーを透過させて前記ＰＬＣに入射させ当該ＰＬＣを介して前記光ファイバに導光させるダミーミラーを備えた、
受光モジュール。

（付記２）
付記１に記載の受光モジュールであって、
前記信号光の受光レベルを検出する信号光レベル検出素子と、
前記レンズにてコリメートされ出射された前記信号光の一部を分岐させて前記信号光レベル検出素子に入射させる信号光分岐手段と、
前記信号光分岐手段を透過した前記信号光を前記ＰＬＣに集光する第二レンズと、を備え、
前記第二レンズは、位置調整可能なよう設置されている、
受光モジュール。

（付記３）
付記１又は２に記載の受光モジュールであって、
前記ミラーは、予め設定された波長範囲の信号光を反射させると共に、予め設定された他の波長範囲の信号光及び前記外部光を透過させる機能を有する、
受光モジュール。

（付記４）
付記３に記載の受光モジュールであって、
前記ミラーは、前記予め設定された波長範囲の信号光を入射方向に対して９０度屈曲させて反射させる機能を有し、
前記ダミーミラーは、前記ミラーを透過した前記信号光を当該ミラーにおける反射の方向とは反対方向に、入射方向に対して９０度屈曲させて反射させる機能を有する、
受光モジュール。

（付記５）
付記１乃至４のいずれかに記載の受光モジュールであって、
前記ダミーミラーは、受光モジュールから着脱自在に設置されている、
受光モジュール。

（付記６）
光ファイバから入射された信号光をコリメートするレンズと、このレンズにてコリメートされ出射された信号光が入射されるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と、このＰＬＣから出射された信号光を所定の方向に反射させると共に透過させる機能を有するミラーと、このミラーにて反射させた信号光を受光する受光素子と、を備え、
前記ミラーは、前記ＰＬＣから出射された信号光を透過する方向とは反対方向からも光を透過させる機能を有し、
前記ミラーに対して当該ミラーを透過した前記信号光の出射側に、外部から入射される外部光を前記ＰＬＣの方向に反射させ、この反射された外部光を、前記信号光の透過方向とは反対方向から前記ミラーを透過させて前記ＰＬＣに入射させ当該ＰＬＣを介して前記光ファイバに導光させるダミーミラーを備えた受光モジュールにて、
前記ダミーミラーに前記外部光を入射し、
前記光ファイバ側から前記外部光を検出して、その検出値に応じて構成部品の位置を調整する、
受光モジュールの調整方法。

（付記７）
付記６に記載の受光モジュールの調整方法であって、
前記受光モジュールは、前記信号光の受光レベルを検出する信号光レベル検出素子と、前記レンズにてコリメートされ出射された前記信号光の一部を分岐させて前記信号光レベル検出素子に入射させる信号光分岐手段と、前記信号光分岐手段を透過した前記信号光を前記ＰＬＣに集光する第二レンズと、を備えており、
前記光ファイバ側から検出した前記外部光の検出値に応じて、前記第二レンズの位置を調整する、
受光モジュールの調整方法。

（付記８）
付記７に記載の受光モジュールの調整方法であって、
前記光ファイバ側から前記外部光のパワーを検出して、当該パワーが最大となるよう前記第二レンズの位置を調整する、
受光モジュールの調整方法。

（付記９）
付記６乃至８に記載の受光モジュールの調整方法であって、
前記受光モジュールの構成部品の位置を調整した後に、前記ダミーミラーを取り外す、
受光モジュールの調整方法。

以上、上記各実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

なお、本発明は、日本国にて２０１１年９月９日に特許出願された特願２０１１−１９６９６２の特許出願に基づく優先権主張の利益を享受するものであり、当該特許出願に記載された内容は、全て本明細書に含まれるものとする。

１光ファイバ
２レンズ
３素子キャリア
４ PD
５タッププリズム
６集光レンズ
７ PLC
８レンズ
９レンズ
１０ミラー
１１ダミーミラー
１２ PD
１３ TIA
１４配線基板
１５基板キャリア
１６パッケージ

Claims

光ファイバから入射された信号光をコリメートするレンズと、このレンズにてコリメートされ出射された信号光が入射されるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と、このＰＬＣから出射された信号光を所定の方向に反射させると共に透過させる機能を有するミラーと、このミラーにて反射させた信号光を受光する受光素子と、を備え、
前記ミラーは、前記ＰＬＣから出射された信号光を透過する方向とは反対方向からも光を透過させる機能を有し、
前記ミラーに対して当該ミラーを透過する前記信号光の出射側に、外部から入射される外部光を前記ＰＬＣの方向に反射させ、この反射された外部光を、前記信号光の透過方向とは反対方向から前記ミラーを透過させて前記ＰＬＣに入射させ当該ＰＬＣを介して前記光ファイバに導光させるダミーミラーを備えた、
受光モジュール。
請求項１に記載の受光モジュールであって、
前記信号光の受光レベルを検出する信号光レベル検出素子と、
前記レンズにてコリメートされ出射された前記信号光の一部を分岐させて前記信号光レベル検出素子に入射させる信号光分岐手段と、
前記信号光分岐手段を透過した前記信号光を前記ＰＬＣに集光する第二レンズと、を備え、
前記第二レンズは、位置調整可能なよう設置されている、
受光モジュール。
請求項１又は２に記載の受光モジュールであって、
前記ミラーは、予め設定された波長範囲の信号光を反射させると共に、予め設定された他の波長範囲の信号光及び前記外部光を透過させる機能を有する、
受光モジュール。
請求項３に記載の受光モジュールであって、
前記ミラーは、前記予め設定された波長範囲の信号光を入射方向に対して９０度屈曲させて反射させる機能を有し、
前記ダミーミラーは、前記ミラーを透過した前記信号光を当該ミラーにおける反射の方向とは反対方向に、入射方向に対して９０度屈曲させて反射させる機能を有する、
受光モジュール。
請求項１乃至４のいずれかに記載の受光モジュールであって、
前記ダミーミラーは、受光モジュールから着脱自在に設置されている、
受光モジュール。
光ファイバから入射された信号光をコリメートするレンズと、このレンズにてコリメートされ出射された信号光が入射されるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と、このＰＬＣから出射された信号光を所定の方向に反射させると共に透過させる機能を有するミラーと、このミラーにて反射させた信号光を受光する受光素子と、を備え、
前記ミラーは、前記ＰＬＣから出射された信号光を透過する方向とは反対方向からも光を透過させる機能を有し、
前記ミラーに対して当該ミラーを透過した前記信号光の出射側に、外部から入射される外部光を前記ＰＬＣの方向に反射させ、この反射された外部光を、前記信号光の透過方向とは反対方向から前記ミラーを透過させて前記ＰＬＣに入射させ当該ＰＬＣを介して前記光ファイバに導光させるダミーミラーを備えた受光モジュールにて、
前記受光モジュールは、前記信号光の受光レベルを検出する信号光レベル検出素子と、前記レンズにてコリメートされ出射された前記信号光の一部を分岐させて前記信号光レベル検出素子に入射させる信号光分岐手段と、前記信号光分岐手段を透過した前記信号光を前記ＰＬＣに集光する第二レンズと、を備えており、
前記ダミーミラーに前記外部光を入射し、
前記光ファイバ側から前記外部光を検出して、その検出値に応じて前記第二レンズの位置を調整する、
受光モジュールの調整方法。
請求項６に記載の受光モジュールの調整方法であって、
前記光ファイバ側から前記外部光のパワーを検出して、当該パワーが最大となるよう前記第二レンズの位置を調整する、
受光モジュールの調整方法。
請求項６又は７に記載の受光モジュールの調整方法であって、
前記受光モジュールの前記第二レンズの位置を調整した後に、前記ダミーミラーを取り外す、
受光モジュールの調整方法。