JP6555110B2

JP6555110B2 - 光受信装置

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Publication number: JP6555110B2
Application number: JP2015239617A
Authority: JP
Inventors: 潤松井; 山本　毅; 毅山本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2035-12-08
Also published as: JP2017108251A; US9904022B2; US20170160499A1

Description

本発明は、光受信装置に関するものである。

近年の通信容量の増大化に伴い、光信号を用いた光通信システムが広く用いられている。例えばデータセンタ等に用いられる光通信では、その通信距離が大きく２つに分けられる。
（１）サーバラック内部や近接するサーバラック間における数１００メートル以内の距離。（２）同一フロア内のサーバラック間や建屋を跨いだサーバラック間における数１００メートル以上の距離。

（１）に係る光通信においては、短波長（例えば波長８５０ｎｍ）レーザ及びそれにより生成された光信号を受信するフォトディテクタを備えて構成される短波長光モジュールが使用されている。（２）に係る光通信においては、長波長（例えば波長１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍ等）レーザ及びそれを受信するフォトディテクタを備えて構成される長波長光モジュールが使用されている。そのため、データセンタの処理性能の向上や増設等によってサーバ間の接続構造が変更された場合には、それぞれの接続先、即ち接続距離に対応して、短波長光モジュールと長波長光モジュールとを切り替える必要がある。

特開２００６−１１９４６４号公報特開２００４−３２５８１３号公報

上記のような技術的背景の下、短波長レーザ及び長波長レーザによる光信号を同一の光受信モジュールで受信する手法が案出されている。この手法では、特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過するビームスプリッタを介して、２つのフォトディテクタが配置される。光ファイバから出力された長波長のレーザ光を反射するビームスプリッタを設置し、このレーザ光がビームスプリッタで反射される先には長波長の光を受信可能なフォトディテクタをレンズを介して配置する。その一方で、当該長波長以外のレーザ光がビームスプリッタで透過する先に短波長の光を受信可能なフォトディテクタをレンズを介して配置する。

上記の手法では、短波長光モジュール及び長波長光モジュールを併設する必要はないものの、レンズやフォトディテクタ等の部品点数が増加することや、モジュールの系が全体として大きくなって高密度化し難い等の問題がある。データセンタ対応の光通信においては、高密度化による伝送帯域の増加も必要とされており、フォトディテクタの後段に設置されるインピーダンス変換増幅器（Transimpedance Amplifier：ＴＩＡ）等の電気回路の規模も通常に比べて２倍以上となるという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、構成要素数を増加させることなく波長の異なる複数の光を高効率で受信することを可能とする信頼性の高い光受信装置及び方法を提供することを目的とする。

光受信装置の一態様は、入射する第１波長の光が屈折し、入射する第２波長の光が屈折するレンズ部と、屈折された前記第１波長の光が透過し、屈折された前記第２波長の光が反射する第１ビームスプリッタと、透過された前記第１波長の光が反射する第２ビームスプリッタと、反射された前記第１波長の光と反射された第２波長の光とを受光する受光部とを含み、前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタは、前記第１波長の光と前記第２波長の光との光路長差だけ離間して配置されている。

上記の態様によれば、光受信装置の構成要素数を増加させることなく波長の異なる複数の光を高効率で受信することを可能とする信頼性の高い光受信が実現する。

第１の実施形態による光受信装置の概略構成を示す模式図である。ビームスプリッタの反射・透過特性を示す特性図である。レンズ部によって集光されるレーザ光のビームウェスト位置のレーザ波長依存性を例示する模式図である。第２のレンズに対するビームウェスト位置を一定とした場合のレーザ波長依存性を例示する模式図である。仮に位置Ｄに受光部を配置した場合において、スポット径を比較した模式図である。第１の実施形態による光受信装置の具体例を示す模式図である。第１の実施形態の変形例による光受信装置の概略構成を示す模式図である。第１の実施形態の変形例による光受信装置の具体例を示す模式図である。第２の実施形態による光受信装置の概略構成を示す模式図である。光入力パワーとＰＤ電流との関係を示す特性図である。ビームスプリッタの反射・透過特性を示す特性図である。

以下、光受信装置の諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、例えばデータセンタ等で用いられるサーバラック内（数１００ｍ程度以内の短波長光通信）及びサーバラック間（数１００ｍ程度以上の長波長光通信）の光インタコネクトに用いられる光受信装置を開示する。

図１は、第１の実施形態による光受信装置の概略構成を示す模式図である。
この光受信装置は、レンズ部、波長の異なる複数（ここでは２種）の光の各レーザ光を反射する複数（ここでは２種）の反射部、及び複数の光をそれぞれ受光する受光部を備えて構成されている。レンズ部は、入射する光がそれぞれ屈折するものであり、例えばレンズ１１ａ，１１ｂを有する。反射部は、例えばビームスプリッタ１２ａ，１２ｂを有する。ビームスプリッタ１２ｂの代わりに、全ての波長の入射光を完全に反射するミラーを用いても良い。受光部は、例えばフォトディテクタ（フォトダイオード）１３である。

レンズ１１ａは、光送信装置より伝送されたレーザ光が光信号として出力される光ファイバ１０の出射面１０ａの後段に配置されている。レンズ１１ｂは、フォトディテクタ１３の前段に配置されている。

ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂは、それぞれ異なる特定の波長に対応している。図２に示すように、ビームスプリッタ１２ａは、例えば１３１０ｎｍ又は１５５０ｎｍ等の長波長λ₁の光を略１００％反射し、それ以外の波長の光（例えば８５０ｎｍ等の短波長λ₂の光を含む。）を略１００％透過する（反射率が略０％）特性を有する。一方、ビームスプリッタ１２ｂは、短波長λ₂の光を略１００％反射し、それ以外の波長の光（長波長λ₁の光を含む。）を略１００％透過する（反射率が略０％）特性を有する。

ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂは、長波長λ₁の光と短波長λ₂の光との光路長差ｄだけ離間して設置され、それぞれ垂直方向から角度θａ，θｂの傾きをもっている。光路長差ｄは、レンズ１１ａ，１１ｂの各焦点距離、光ファイバ１０の出射面１０ａからレンズ１１ａまでの距離、レンズ１１ａ，１１ｂ間の距離、レンズ１１ｂからフォトディテクタ１３の受光面１３ａまでの距離から一意に決定される。

図３及び図４を用いて、ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂ間の配置距離である光路長差ｄについて説明する。
図３は、レンズ１１ａ，１１ｂによって集光されるレーザ光のビームウェスト位置のレーザ波長依存性を例示する模式図である。ビームウェスト位置とは、レーザ光のビームのスポットサイズ最小値となる光軸上の位置である。図３では、レンズ１１ａ，１１ｂ間の距離を相異なる波長λ₁，λ₂のレーザ光に対して一定とした場合を例示している。光ファイバ１０の出射面１０ａを位置Ａ、レンズ１１ａを位置Ｂ、レンズ１１ｂを位置Ｃとする。波長λ₁のレーザ光のビームウェスト位置は、位置Ｃから距離ｄ₂₁だけ離間した位置Ｄとなる。波長λ₂のレーザ光のビームウェスト位置は、位置Ｃから距離ｄ₂₂だけ離間した位置Ｅとなる。ビームウェスト位置Ｄ，Ｅは、レンズ１１ａ，１１ｂの焦点距離、位置Ａから位置Ｂまでの距離ｄ₀、位置Ｂから位置Ｃまでの距離ｄ₁、及び波長λ₁，λ₂によって決定される。そのため、図３のように波長によって異なる面がビームウェスト位置となる。

図３において、位置Ｄにフォトディテクタ１３を配置し、波長λ₁，λ₂のレーザ光の各レーザ光を受光する場合を考察する。図５に示すように、フォトディテクタ１３において、波長λ₁のレーザ光はビームウェスト位置となるが、波長λ₂のレーザ光はビーム径がフォトディテクタ１３の受光面の径よりも大きくなる。この場合、波長λ₂のレーザ光の受光効率は例えば１６％程度の低値となる。この値は、波長λ₁のレーザ光の受光効率の１／８程度である。

図４は、レンズ１１ｂに対するビームウェスト位置を一定とした場合のレーザ波長依存性を例示する模式図である。波長λ₁のレーザ光では、光ファイバ１０の出射面１０ａを位置Ａ、レンズ１１ａを位置Ｂ、レンズ１１ｂを位置Ｃ₁とする。波長λ₁のレーザ光のビームウェスト位置である位置Ｄは、レンズ１１ａ，１１ｂの焦点距離、位置Ａから位置Ｂまでの距離ｄ₀、位置Ｂから位置Ｃ₁までの距離ｄ₁₁、及び波長λ₁によって決定される。波長λ₂のレーザ光では、光ファイバ１０の出射面１０ａを位置Ａ、レンズ１１ａを位置Ｂ、レンズ１１ｂを位置Ｃ₂とする。波長λ₂のレーザ光のビームウェスト位置である位置Ｅは、レンズ１１ａ，１１ｂの焦点距離、位置Ａから位置Ｂまでの距離ｄ₀、位置Ｂから位置Ｃ₂までの距離ｄ₁₂（＞ｄ₁₁）、及び波長λ₂によって決定される。本実施形態では、レンズ１１ｂから受光面である位置Ｄ，Ｅまでの距離を一定（距離ｄ₂）とした場合に、レンズ１１ａ，１１ｂ間の距離に差が生じ、この差ｄ₁₂−ｄ₁₁が光路長差ｄとなる。

図１において、波長λ₁のレーザ光が光ファイバ１０の出射面１０ａから出射されると、レーザ光はレンズ１１ａで集光される。レーザ光はその後、ビームスプリッタ１２ａで反射され、レンズ１１ｂを介してフォトディテクタ１３に光結合される。一方、波長λ₂のレーザ光が光ファイバ１０の出射面１０ａから出射されると、レーザ光はレンズ１１ａで集光される。レーザ光はその後、ビームスプリッタ１２ａで反射されずに透過し、ビームスプリッタ１２ｂで反射され、レンズ１１ｂを介してフォトディテクタ１３に光結合される。

本実施形態では、ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂを光路長差ｄだけ離間させて配置する。これにより、ビームスプリッタ１２ａで反射される波長λ₁のレーザ光と、ビームスプリッタ１２ｂで反射される波長λ₂のレーザ光とで光路長差がなくなる。そのため、同一平面において波長λ₁，λ₂のレーザ光に共通のビームウェスト位置となる。相異なる波長のレーザ光が同一平面でビームウェストとなるため、この同一平面上をフォトディテクタ１３の受光面１３ａと一致させることにより、全てのレーザ光を同一のビームウェスト位置で受光する構成が実現し、高効率な光受信（波長λ₁，λ₂のレーザ光共に略１００％）が可能となる。

図６は、本実施形態による光受信装置の具体例を示す模式図である。
図６には、レンズ１１ａ，１１ｂの焦点距離、光ファイバ１０の出射面１０ａ、レンズ１１ａ、レンズ１１ｂ、ビームスプリッタ１２ａ、ビームスプリッタ１２ｂ、フォトディテクタ１３の受光面１３ａの位置関係を具体的に示している。この場合、波長λ₁は１５５０ｎｍ、波長λ₂は８５０ｎｍである。

以上説明したように、本実施形態によれば、光受信装置の構成要素数を増加させることなく波長の異なる複数の光を高効率で受信することを可能とする信頼性の高い光受信が実現する。

−変形例−
以下、本実施形態の変形例について説明する。
図７は、第１の実施形態の変形例による光受信装置の概略構成を示す模式図である。本例では、第１の実施形態と同様に光受信装置及び光受信方法を開示するが、光受信装置の構成要素の配置状態が異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態の構成要素と同様のものについては同符号を付する。

この光受信装置は、レンズ部、波長の異なる複数（ここでは２種）の光の各レーザ光を反射する複数（ここでは２種）の反射部、及び複数の光をそれぞれ受光する受光部を備えて構成されている。レンズ部は、例えばレンズ１１ａ，１１ｂを有する。反射部は、例えばビームスプリッタ１２ａ，１２ｂを有する。ビームスプリッタ１２ｂの代わりに、全ての波長の入射光を完全に反射するミラーを用いても良い。受光部は、例えばフォトディテクタ１３である。

本例において、レンズ１１ａは、光送信器より伝送されたレーザ光が光信号として出力される光ファイバ１０の出射面１０ａの後段に配置されている。レンズ１１ｂは、レンズ１１ａの後段に配置されている。

ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂは、それぞれ異なる特定の波長に対応している。本例では、ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂはレンズ１１ｂの後段に配置されている。即ち、ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂは、レンズ１１ｂとフォトディテクタ１３との間に配置されている。ビームスプリッタ１２ａは、例えば１３１０ｎｍ又は１５５０ｎｍ等の長波長λ₁の光を略１００％反射し、それ以外の波長の光（例えば８５０ｎｍ等の短波長λ₂の光を含む。）を略１００％透過する（反射率が略０％）特性を有する。一方、ビームスプリッタ１２ｂは、短波長λ₂の光を略１００％反射し、それ以外の波長の光（長波長λ₁の光を含む。）を略１００％透過する（反射率が略０％）特性を有する。

波長λ₁のレーザ光が光ファイバ１０の出射面１０ａから出射されると、レーザ光はレンズ１１ａ，１１ｂで集光される。レーザ光はその後、ビームスプリッタ１２ａで反射されてフォトディテクタ１３に光結合される。一方、波長λ₂のレーザ光が光ファイバ１０の出射面１０ａから出射されると、レーザ光はレンズ１１ａ，１１ｂで集光される。レーザ光はその後、ビームスプリッタ１２ａで反射されずに透過し、ビームスプリッタ１２ｂで反射されてフォトディテクタ１３に光結合される。

図８は、本実施形態の変形例による光受信装置の具体例を示す模式図である。
図８には、レンズ１１ａ，１１ｂの焦点距離、光ファイバ１０の出射面１０ａ、レンズ１１ａ、レンズ１１ｂ、ビームスプリッタ１２ａ、ビームスプリッタ１２ｂ、フォトディテクタ１３の受光面１３ａの位置関係を具体的に示している。この場合、波長λ₁は１５５０ｎｍ、波長λ₂は８５０ｎｍである。

なお本例では、ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂがレンズ１１ｂとフォトディテクタ１３との間に配置される場合を例示したが、ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂをレンズ１１ａの前段に配置することも可能である。即ちこの場合、ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂが光ファイバ１０の出射面１０ａとレンズ１１ａとの間に配置されることになる。

以上説明したように、本例によれば、光受信装置の構成要素数を増加させることなく波長の異なる複数の光を高効率で受信することを可能とする信頼性の高い光受信が実現する。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態と同様に光受信装置及び光受信方法を開示するが、光受信装置の構成要素であるビームスプリッタが異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態の構成要素と同様のものについては同符号を付する。

図９は、第２の実施形態による光受信装置の概略構成を示す模式図である。
この光受信装置は、レンズ部、波長の異なる複数（ここでは２種）の光の各レーザ光を反射する複数（ここでは２種）の反射部、及び複数の光をそれぞれ受光する受光部を備えて構成されている。レンズ部は、例えばレンズ１１ａ，１１ｂを有する。反射部は、例えばビームスプリッタ２１，１２ｂを有する。ビームスプリッタ１２ｂの代わりに、全ての波長の入射光を完全に反射するミラーを用いても良い。受光部は、例えばフォトディテクタ１３である。

ビームスプリッタ２１，１２ｂは、それぞれ異なる特定の波長に対応している。ビームスプリッタ２１は、例えば１３１０ｎｍ又は１５５０ｎｍ等の長波長λ₁の光を１００％よりも低い反射率（例えば８０％程度）で反射し、それ以外の波長の光（例えば８５０ｎｍ等の短波長λ₂の光を含む。）を略１００％透過する（反射率が略０％）特性を有する。一方、ビームスプリッタ１２ｂは、短波長λ₂の光を略１００％反射し、それ以外の波長の光（長波長λ₁の光を含む。）を略１００％透過する（反射率が略０％）特性を有する。

フォトディテクタは、光の波長によって感度が異なる。そのため、図１０に示すように、波長によって同じパワーの光信号を受信した場合でもフォトディテクタから出力される電流に差が生じる。一般的に、フォトディテクタの後段には電気信号を増幅するＴＩＡが設置されるところ、ＴＩＡには飽和領域と呼ばれるある一定値以上増幅が行われない領域が存在する。従って、例えば短波長λ₂のレーザ光に合わせて高感度のＴＩＡを設置すると、波長λ₁の光信号を受信した場合には、図１０の実線で示すように、フォトディテクタからの電流（ＰＤ電流）がＴＩＡの入力範囲を超過して飽和領域に相当することがある。

本実施形態では、上記の飽和領域の存在に鑑みて、複数の反射部のうちの少なくとも最も長波長の光に対応した反射部、ここでは長波長λ₁の光に対応したビームスプリッタ２１について、当該長波長λ₁の光の反射率を調節する。具体的には、図１１の破線で示すように、長波長λ₁の光に対応したビームスプリッタ２１の透過・反射特性を調整し、ＰＤ電流がＴＩＡの正常動作範囲となるようにする。具体的には、長波長λ₁の光を１００％よりも低い反射率（例えば８０％程度）で反射し、それ以外の波長の光を略１００％透過するものとする。これにより、フォトディテクタ１３に入射するレーザ光のパワーを低減し、図１０の破線で示すように、ＴＩＡの飽和領域に相当しないようにすることができ、長波長λ₁及び短波長λ₂の双方のレーザ光について略同様の受信特性が得られる。

本実施形態においても、第１の実施形態の変形例と同様に、ビームスプリッタ２１，１２ｂをレンズ１１ｂとフォトディテクタ１３との間に配置しても良い。また、ビームスプリッタ２１，１２ｂを光ファイバ１０の出射面１０ａとレンズ１１ａとの間に配置することも可能である。

本実施形態では、長波長λ₁の光に対応したビームスプリッタについて、当該長波長λ₁の光の反射率を調節する場合を例示したが、これに限定されるものではない。短波長λ₂の光に対応したビームスプリッタについて、当該短波長λ₂の光の反射率を調節する場合もある。この場合には、短波長λ₂の光に対応したビームスプリッタについて、当該短波長λ₂の反射率を１００％よりも低く調節、例えば８０％程度に調節する。また、長波長λ₁の光に対応したビームスプリッタ及び短波長λ₂の光に対応したビームスプリッタの双方について、当該長波長λ₁の光の反射率及び当該短波長λ₂の光の反射率を調節する場合もある。この場合には、２つのビームスプリッタの双方について、当該長波長λ₁の光の反射率及び当該短波長λ₂の光の反射率をそれぞれ１００％よりも低く調節、例えば８０％程度に調節する。

なお、上記した諸実施形態及び変形例では、波長の異なる２種（長波長λ₁、短波長λ₂）の光に対応した光受信装置を例示したが、これに限定されるものではない。波長の異なる３種以上の光に対応した光受信装置にも適用することができる。この場合、複数の光を反射する当該複数の反射部（ビームスプリッタ）を、複数の光における光路長差だけ離間して配置する。受光部（フォトディテクタ）は１つであり、複数の光をそれぞれ受光する。例えば、波長の異なる３種の光に対応した光受信装置の場合では、３種の光を反射する３つの反射部（ビームスプリッタ）を、３種の光における光路長差だけ離間して配置する。即ち、第１のビームスプリッタ及び第２のビームスプリッタについては、最も短波長の第１の光と中間の波長の第２の光との光路長差だけ離間させて配置する。第２のビームスプリッタ及び第３のビームスプリッタについては、中間の波長の第２の光と最も長波長の第３の光との光路長差だけ離間させて配置する。

上記した光受信装置は、比較的短距離である例えばサーバラック内部や近接するサーバラック間の通信と、比較的長距離である例えば同一フロア内のサーバラック間や建屋を跨いだサーバラック間の通信との双方に対応することができる。当該光受信装置は、短波／長波の双方の光を受信することができるため、従来のように短波又は長波に応じて用いる光受信装置の切り替えが不要である。

１０光ファイバ
１０ａ出射面
１１ａ，１１ｂレンズ
１２ａ，１２ｂ，２１ビームスプリッタ
１３フォトディテクタ
１３ａ受光面

Claims

入射する第１波長の光が屈折し、入射する第２波長の光が屈折するレンズ部と、
屈折された前記第１波長の光が透過し、屈折された前記第２波長の光が反射する第１ビームスプリッタと、
透過された前記第１波長の光が反射する第２ビームスプリッタと、
反射された前記第１波長の光と反射された前記第２波長の光とを受光する受光部と
を含み、
前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタは、前記第１波長の光と前記第２波長の光との光路長差だけ離間して配置されていることを特徴とする光受信装置。
前記レンズ部は、第１レンズ及び第２レンズを備えており、
前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタは、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタは、前記レンズ部と前記受光部との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光受信装置。
前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタは、前記レンズ部の後段に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記第１ビームスプリッタは、第２波長の光の反射率が１００％よりも小さい値に調節され、及び／又は、前記第２ビームスプリッタは、第１波長の光の反射率が１００％よりも小さい値に調節されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光受信装置。