WO2022180779A1

WO2022180779A1 - 光受信モジュールおよび光トランシーバ

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Publication number: WO2022180779A1
Application number: PCT/JP2021/007329
Authority: WO
Inventors: 聡白井
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-01

Abstract

本開示の光受信モジュール（１１）は、光ファイバ（１１１）と、光信号を受光し、電流信号に変換する光電素子（１１３）と、光ファイバ（１１１）から入力される光信号を光電素子（１１３）に集光するレンズ（１１２）と、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ（１１４）と、光ファイバ（１１１）と光電素子（１１３）との間の光路上に配置されるフィルタ（１１５）と、を備える。フィルタ（１１５）は、光強度に応じて屈折率の変化する材料で構成される。

Description

光受信モジュールおよび光トランシーバ

　本開示は、光ファイバを用いた通信に適用される光トランシーバの受信部分に用いられる光受信モジュールおよび光トランシーバに関する。

　光ファイバを用いた加入者系有線通信では、経済性の観点からポイントトゥマルチポイント方式の受動光ネットワーク（Passive　Optical　Network：ＰＯＮ）システムが構築されている。複数のユーザが光合分波器を介して１台の局舎側装置である光回線終端装置（Optical　Line　Terminal：ＯＬＴ）で通信を行うため、複数のユーザで装置を共有することによるネットワーク構築費用、装置設置スペースの削減などにより、安価にサービスを受けることが可能である。

　このＰＯＮシステムでは、局舎とユーザとの間の距離が利用するユーザによって異なるため、ＯＬＴに入力されるバースト光信号の光信号強度はユーザ毎に異なる。つまり、ＯＬＴは、光信号強度の小さいバースト光信号と光信号強度の大きなバースト光信号とを受けることになる。よって、ＯＬＴには異なる光信号強度のバースト光信号を一定の振幅を持つ電気信号に変換する光トランシーバが必要となる。

　光トランシーバの受信部には、光信号を電流信号に変換するアバランシェフォトダイオード（Avalanche　Photo　Diode：ＡＰＤ）などの光電素子と、電流信号を電圧信号に変換し、さらに増幅して出力するトランスインピーダンスアンプと、が実装されている。トランスインピーダンスアンプは、光信号強度の小さい信号から光信号強度の大きな信号までを増幅するため、光信号強度に応じて増幅器の利得を可変にする自動利得制御（Automatic　Gain　Control：ＡＧＣ）機能を有する。これによって、トランスインピーダンスアンプは、広い入力される光信号の光信号強度範囲、すなわちダイナミックレンジを確保することができるように設計される。しかし、このようなトランスインピーダンスアンプは、光信号強度の小さい信号を再生するために高い利得を持つため、ＡＧＣ機能を用いた場合でも光信号強度の大きな信号を再生できる範囲は限定的であった。

　特許文献１に記載の技術では、トランスインピーダンスアンプの出力信号を基に入力される光信号強度のレベルを検出し、ＡＰＤに入力される光信号強度の減衰量を制御する減衰量制御回路を用いて、ＡＰＤに入射される光信号を可変光減衰器で減衰させる技術が開示されている。これによって、光信号強度の大きな信号も、トランスインピーダンスアンプが再生できるレベルに減衰される。この結果、トランスインピーダンスアンプのダイナミックレンジが拡大される。

特許第４６９８５７６号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、光信号強度のレベルを検出する回路および減衰量を制御する回路が必要であり、かつＡＰＤの入力部に可変光減衰器が必要である。このため、回路規模の増大による光トランシーバのサイズおよび消費電力が増大してしまうという課題があった。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、従来に比して回路規模および消費電力を増大させることなくダイナミックレンジを拡大することができる光受信モジュールを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の光受信モジュールは、光ファイバと、光信号を受光し、電流信号に変換する光電素子と、光ファイバから入力される光信号を光電素子に集光するレンズと、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、光ファイバと光電素子との間の光路上に配置されるフィルタと、を備える。フィルタは、光強度に応じて屈折率の変化する材料で構成される。

　本開示にかかる光受信モジュールは、従来に比して回路規模および消費電力を増大させることなくダイナミックレンジを拡大することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る光トランシーバの構成の一例を模式的に示す図実施の形態１に係る光トランシーバに含まれる光受信モジュールの構成の一例を模式的に示す断面図実施の形態１に係る光受信モジュールにおいて光信号強度に応じてＡＰＤの受光面と光信号との結合が変化する様子を模式的に示す図実施の形態２に係る光受信モジュールにおいて光信号強度に応じてＡＰＤの受光面と光信号との結合が変化する様子を模式的に示す図

　以下に、本開示の実施の形態にかかる光受信モジュールおよび光トランシーバを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　以下では、局舎側装置であるＯＬＴに設けられる光トランシーバの受信部について説明する。光トランシーバは、光ファイバで接続されるユーザ側装置である光ネットワーク装置（Optical　Network　Unit：ＯＮＵ）と、電気的に信号を送受信するネットワークで接続される装置と、の間でやり取りされる光信号および電気信号を互いに変換する装置である。以下の実施の形態では、ＯＮＵから光ファイバを介して入力される光信号を電気信号に変換する光受信モジュールを含む光トランシーバの受信部について説明を行う。そのため、光トランシーバの受信部以外の構成については省略している。

　図１は、実施の形態１に係る光トランシーバの構成の一例を模式的に示す図である。上記したように、図１では、光トランシーバ１０の受信部の構成の一例を示している。光トランシーバ１０は、光受信モジュール１１と、バイアス電源であるＡＰＤバイアス電源１２と、リミッティングアンプ１３と、を備える。

　光受信モジュール１１は、ユーザ側からの光信号を電流信号に変換し、さらに電流信号を電圧信号に変換して出力する。光受信モジュール１１は、光ファイバ１１１と、レンズ１１２と、ＡＰＤ１１３と、トランスインピーダンスアンプ１１４と、を有する。光ファイバ１１１は、光信号を光受信モジュール１１内に入射させる。レンズ１１２は、光ファイバ１１１から入射された光信号をＡＰＤ１１３の受光面に集光する。ＡＰＤ１１３は、集光された光信号を受光して電流信号に変換する光電素子である。ＡＰＤ１１３ではなく、フォトダイオードが使用されてもよい。トランスインピーダンスアンプ１１４は、ＡＰＤ１１３で変換された電流信号を電気信号に変換し、増幅してリミッティングアンプ１３に出力する。

　実施の形態１では、光受信モジュール１１は、光ファイバ１１１とＡＰＤ１１３との間の光路上に配置されるフィルタ１１５をさらに有する。フィルタ１１５は、光信号の強度の変化に応じて屈折率が変化する電気光学材料によって構成される。より具体的には、フィルタ１１５は、フォトリフラクティブ効果を有する材料によって構成される。あるいは、フィルタ１１５は、フォトリフラクティブ効果を示す構造を有する。フォトリフラクティブ効果とは、光伝導性の電気光学材料に光を入射したときに、電気光学材料の内部で光誘起された電荷が移動し、その結果光強度に応じて屈折率が変化する現象のことをいう。フォトリフラクティブ効果は、材料および構造によって屈折率の変化量および変化の応答速度が異なる。フォトリフラクティブ効果を示す材料の一例は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）である。

　ＡＰＤバイアス電源１２は、光受信モジュール１１内のＡＰＤ１１３のカソードに電圧を印加する。ＡＰＤバイアス電源１２は、ＡＰＤ１１３でアバランシェ増幅を起こさせるのに必要な大きさの逆電圧をＡＰＤ１１３に印加する。リミッティングアンプ１３は、光受信モジュール１１から出力された電気信号を、伝送装置が受信できる振幅までさらに増幅する。

　図２は、実施の形態１に係る光トランシーバに含まれる光受信モジュールの構成の一例を模式的に示す断面図である。なお、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付している。図２の例では、光受信モジュール１１が、ＣＡＮパッケージ型である場合を示すが、より高周波特性に優れたセラミックパッケージ型でも各部品同士は同じ位置関係となる。

　光受信モジュール１１は、ステム１５１と、ステム１５１に被せられるレンズホルダ１５２と、レンズホルダ１５２に固定されるファイバホルダ１５３と、を備える。ステム１５１は、ＣＡＮパッケージの土台である。ステム１５１の形状は、一例では、平板状、円盤状である。ステム１５１の一方の面は、フレキシブルプリント基板１６１と接続される。ステム１５１の他方の面であって、レンズホルダ１５２によって覆われる面には、トランスインピーダンスアンプ１１４と、サブマウント１５５と、が配置され、サブマウント１５５上にＡＰＤ１１３が配置される。サブマウント１５５は、配線パターンを備える基板である。ＡＰＤ１１３とトランスインピーダンスアンプ１１４とは、リード線によって接続されている。トランスインピーダンスアンプ１１４およびサブマウント１５５は、はんだまたは接着剤でステム１５１に固定され、ＡＰＤ１１３は、はんだまたは接着剤でサブマウント１５５に固定される。

　レンズホルダ１５２は、金属製の筒状の部材であり、トランスインピーダンスアンプ１１４およびＡＰＤ１１３が配置されるステム１５１の面を覆うように、ステム１５１に固定される。ステム１５１と対向する面１５２ａに、レンズ１１２が保持される。一例では、レンズホルダ１５２は、溶接によってステム１５１に固定される。

　ファイバホルダ１５３は、金属製の筒状の部材であり、レンズホルダ１５２のレンズ１１２が配置される面１５２ａを覆うように、レンズホルダ１５２に固定される。レンズホルダ１５２のレンズ１１２が配置される面１５２ａと対向する面１５３ａに、光ファイバ１１１が保持される。一例では、ファイバホルダ１５３は、溶接によってレンズホルダ１５２に固定される。

　レンズ１１２の光軸上に、光ファイバ１１１の端部およびＡＰＤ１１３が位置するように、光ファイバ１１１、レンズ１１２およびＡＰＤ１１３は配置されている。より具体的には、レンズ１１２の光軸と光ファイバ１１１のコアを通る軸とが同一直線上にあり、この同一直線上、すなわちレンズ１１２の光軸の延長上にＡＰＤ１１３が存在する。以上のように、ＡＰＤ１１３は、ステム１５１にサブマウント１５５を介して固定され、レンズ１１２は、レンズホルダ１５２に固定され、光ファイバ１１１は、ファイバホルダ１５３に固定されている。また、ファイバホルダ１５３は、レンズホルダ１５２に固定され、レンズホルダ１５２は、ステム１５１に固定されている。このため、光受信モジュール１１において、光ファイバ１１１とレンズ１１２とＡＰＤ１１３との位置関係は固定されている。

　フィルタ１１５は、ＡＰＤ１１３と光ファイバ１１１との間に配置される。図２の例では、フィルタ１１５は、ステム１５１とレンズホルダ１５２とで囲まれる空間内で、ＡＰＤ１１３とレンズ１１２との間に配置される。フィルタ１１５は、レンズ１１２に接着されてもよいし、別の固定部材を用いてＡＰＤ１１３とレンズ１１２との間に配置されてもよい。なお、フィルタ１１５は、ファイバホルダ１５３とレンズホルダ１５２のレンズ１１２が設けられる面１５２ａとで囲まれる空間内で、光ファイバ１１１とレンズ１１２との間に配置されてもよい。この場合にも、フィルタ１１５は、レンズ１１２に接着されてもよいし、別の固定部材を用いて光ファイバ１１１とレンズ１１２との間に配置されてもよい。

　つぎに、光受信モジュール１１の受信部における動作について、図２の配置の場合を例に挙げて説明する。トランスインピーダンスアンプ１１４の出力信号は、ステム１５１に配置されたリードピンを通って伝送し、フレキシブルプリント基板１６１の図示しない信号線路を通って、図示しない光トランシーバ１０の本体の基板に接続され、後段のリミッティングアンプ１３に入力される構造が一般的である。

　光ファイバ１１１からの光信号は、光ファイバ１１１の端部から空間に出た瞬間に広がる。レンズ１１２は、光ファイバ１１１からの光信号をＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに集光する。集光された光信号がＡＰＤ１１３に入射すると、ＡＰＤ１１３は、集光された光信号を電流に変換する。このとき、光信号の強度である光信号強度が大きいほど電流も大きくなる。ＡＰＤ１１３の電流変換効率ρは［Ａ／Ｗ］の単位で示され、通常０．８［Ａ／Ｗ］程度の値となる。また、ＡＰＤ１１３に電圧を印加すると増倍率Ｍで示される倍率で変換された電流が増倍される。ここで、光受信モジュール１１に入力される光信号強度をＰ［Ｗ］とすると、次式（１）で示される電流Ｉ［Ａ］がＡＰＤ１１３に流れることとなる。
ρ［Ａ／Ｗ］×Ｍ×Ｐ［Ｗ］＝Ｉ［Ａ］　・・・・（１）

　電流Ｉが大きくなりすぎるとトランスインピーダンスアンプ１１４の回路が飽和し、正常に動作しなくなり受信特性が劣化する。バースト受信動作を行う場合、増倍率Ｍは通常一定であり、光信号強度Ｐはユーザ側との距離で決まる。電流Ｉを動的に変化させるためには、電流変換効率ρを変化させる必要がある。

　そこで、次に、電流変換効率ρが変化する動作について説明する。図３は、実施の形態１に係る光受信モジュールにおいて光信号強度に応じてＡＰＤの受光面と光信号との結合が変化する様子を模式的に示す図である。図３は、図２のレンズ１１２、ＡＰＤ１１３およびフィルタ１１５を拡大して示したものである。実施の形態１では、光ファイバ１１１からの光信号Ｌがそれぞれの部品に垂直に入射された場合を想定している。

　図３中の実線は、光ファイバ１１１から最小受信レベルの光信号強度の光信号が入射された場合の光信号Ｌの集光の様子を模式的に示している。光信号Ｌは、光ファイバ１１１の端部から出射された後、レンズ１１２に到達するまで広がるが、レンズ１１２で集光され、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに入射する。このとき、最小受信レベルの光信号強度で電流変換効率ρが最大となるように、すなわちＡＰＤ１１３の感度が最大となるように、光軸調芯を実施し、各部品を固定して、図２に示される光受信モジュール１１が製造される。

　図３中の点線は、光ファイバ１１１から最大受信レベルの光信号強度の光信号が入射された場合の光信号Ｌの集光の様子を模式的に示している。光信号Ｌが、光ファイバ１１１の端部からレンズ１１２を通過し、フィルタ１１５に到達するまでは、最小受信レベルの場合と同じ軌跡となる。光信号強度が大きい場合、フォトリフラクティブ効果によってフィルタ１１５の屈折率が変化するため、最小受信レベルの場合に比べて光の屈折が変化する。図３では、フォトリフラクティブ効果によってフィルタ１１５の屈折率が高くなる場合を示している。広がった光信号Ｌの外側の部分を通過する光線は、フィルタ１１５を通過する際に、フィルタ１１５で屈折が大きくなり、外側に広がって空気中に出てくる。これによって、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａでの光信号Ｌのスポットサイズは、最小受信レベルの場合に比べて広がり、電流変換効率ρが最大となる場合に比べてぼやけるため、電流変換効率ρが低下する。この結果、（１）式で示される電流変換効率ρが小さくなる結果、電流Ｉが小さくなり、トランスインピーダンスアンプ１１４で受け取る電流が低下する。

　同じ光信号強度の光信号Ｌが光受信モジュール１１内に入力された場合でも、フィルタ１１５の屈折率変化によるＡＰＤ１１３へ照射されるスポットサイズの変化によって、トランスインピーダンスアンプ１１４が受け取る電流が小さくなる。このため、通常であればトランスインピーダンスアンプ１１４の回路が飽和して動作しなくなる光信号強度の光信号Ｌを受けた場合でも、トランスインピーダンスアンプ１１４の回路が正常に動作することで光信号Ｌの受信が可能となる。つまり、ダイナミックレンジが拡大する。

　実施の形態１では、光トランシーバ１０の光受信モジュール１１は、光ファイバ１１１とＡＰＤ１１３との間の光路に光信号強度によって屈折率が変化する結晶であるフォトリフラクティブ効果を有するフィルタ１１５を備える。最小受信感度レベルの光信号Ｌの入力時にＡＰＤ１１３の感度が最大となるように調芯固定を行う。これによって、光信号Ｌの光信号強度が大きくなると、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａのスポットサイズが大きくなるように、フィルタ１１５の屈折率が変化する。つまり、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａのスポットサイズが大きくなり、最小受信感度レベルの光信号Ｌの入力時に比して、ＡＰＤ１１３の感度が低下する。この結果、電流変換効率ρが低下し、ＡＰＤ１１３で変換される電流Ｉが小さくなり、トランスインピーダンスアンプ１１４で受け取る電流が低下する。また、パッシブ部品であるフィルタ１１５の追加のみで、ＡＰＤ１１３に入力される光信号強度を制御することができるので、光信号強度を制御するための周辺回路が不要となる。以上のように、回路規模および消費電力を増大させることなく、良好な最小受信感度および最大受信感度の拡大を両立できるため、光受信モジュール１１のダイナミックレンジを拡大することができる。これによって、光トランシーバ１０のサイズおよび消費電力の増大を抑制することができる。

　従来のように、光信号強度を検出する回路、減衰量を制御する回路、およびＡＰＤの入力部に可変光減衰器を備える構造では、フィードバック制御または可変光減衰量の過渡応答速度によっては、光信号Ｌが入力されてから適切な光信号強度に制御されるまでに遅延が発生し、バースト受信特性の劣化を引き起こす可能性があった。しかし、実施の形態１では、回路による制御ではなく、フィルタ１１５を透過する光信号Ｌの光信号強度に応じて屈折率が変化し、その結果、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに照射される光信号Ｌのスポットサイズが変化することを利用するので、適切な光信号強度に制御されるまでの遅延が発生せず、バースト受信特性の劣化を引き起こすことがない。すなわち、従来に比して、良好なバースト受信特性を確保することができる。

実施の形態２．
　実施の形態１では、光ファイバ１１１からの光信号ＬがＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに垂直に入射する場合を示した。実施の形態２では、光信号ＬがＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに垂直ではない角度で入射する場合を説明する。以下では、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに垂直ではない角度で入射することを、斜め入射と称する。

　実施の形態２に係る光トランシーバ１０の光受信モジュール１１の断面構造は図２で示したものと同じである。ただし、例えば光ファイバ１１１が、レンズ１１２の光軸に対して傾いてファイバホルダ１５３に保持されたり、光ファイバ１１１の端部を斜めに研磨したりすることで、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに対して光信号Ｌを斜め入射させている。

　図４は、実施の形態２に係る光受信モジュールにおいて光信号強度に応じてＡＰＤの受光面と光信号との結合が変化する様子を模式的に示す図である。図４中の実線は、光ファイバ１１１から最小受信レベルの光信号強度の光信号Ｌが入射された場合の光信号Ｌの集光の様子を模式的に示している。また、図４中の点線は、光ファイバ１１１から最大受信レベルの光信号強度の光信号Ｌが入射された場合の光信号Ｌの集光の様子を模式的に示している。光信号Ｌが斜めに入射する場合も、実施の形態１と同様にフィルタ１１５で光信号強度が大きい場合には光信号Ｌの屈折量が変化する。フィルタ１１５に斜めに入射した場合、光信号Ｌの中心も屈折で曲がるため、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａでのスポットの中心が軸ずれする。このため、スポットサイズの変化とともに、軸ずれする効果で、実施の形態１よりもさらに電流変換効率ρが低下する。

　実施の形態２では、ＡＰＤ１１３の受光面１１３ａに斜めに光信号Ｌが入射するようにした。最小受信レベルの光信号強度で電流変換効率ρが最大となるように調整している場合に、最大受信レベルの光信号強度の光信号Ｌが入力されると、スポットサイズが変化するとともに、軸ずれが生じるので、実施の形態１の場合に比してさらに電流変換効率ρが低下する。これによって、実施の形態１と同様に、ダイナミックレンジを拡大することができる。

　なお、実施の形態１，２では、光信号Ｌが照射されるとフィルタ１１５の屈折率が大きくなる場合を想定して説明を行った。しかし、光信号Ｌが照射されるとフィルタ１１５の屈折率が小さくなる場合でも、最小受信レベルで電流変換効率ρが最大となるように調整されていれば、最大受信レベルでは、電流変換効率ρが最大となる条件からずれるために電流変換効率ρは低下する。このため、光信号Ｌが照射されるとフィルタ１１５の屈折率が小さくなる場合でも、ダイナミックレンジの拡大の効果を得ることができる。

　以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１０　光トランシーバ、１１　光受信モジュール、１２　ＡＰＤバイアス電源、１３　リミッティングアンプ、１１１　光ファイバ、１１２　レンズ、１１３　ＡＰＤ、１１３ａ　受光面、１１４　トランスインピーダンスアンプ、１１５　フィルタ、１５１　ステム、１５２　レンズホルダ、１５３　ファイバホルダ、１５５　サブマウント、１６１　フレキシブルプリント基板。

Claims

　光ファイバと、
　光信号を受光し、電流信号に変換する光電素子と、
　光ファイバから入力される前記光信号を前記光電素子に集光するレンズと、
　前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
　前記光ファイバと前記光電素子との間の光路上に配置されるフィルタと、
　を備え、
　前記フィルタは、光強度に応じて屈折率の変化する材料で構成されることを特徴とする光受信モジュール。
　前記光ファイバの軸と前記レンズの光軸とが同一直線上にあり、前記光軸の延長上に前記光電素子が存在することを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。
　前記光ファイバからの前記光信号が前記光電素子の受光面に対して垂直ではない角度で入射するように、前記光ファイバが配置されることを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。
　請求項１から３のいずれか１つに記載の光受信モジュールと、
　前記光受信モジュールの光電素子に電圧を印加するバイアス電源と、
　前記トランスインピーダンスアンプからの出力を増幅して伝送装置に出力するリミッティングアンプと、
　を備えることを特徴とする光トランシーバ。