JP2017090650A - 光受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】生産効率を下げずに信号光の波長毎の光結合効率の差を小さくし、小型の、波長多重信号光受信モジュールを提供する。【解決手段】光受信モジュールは、互いに異なる波長を有する複数の信号光が多重化された波長多重信号光を入力光とし、収束光を出力する第１のレンズ１８と、収束光をそれぞれの信号光が有する波長に従って複数の信号光それぞれに分離する光デマルチプレクサ２６と、分離された信号光それぞれを収束する複数の第２のレンズ２８ａと、該第２のレンズ２８ａにより収束された信号光それぞれを受光する複数のＰＤ２９ａと、を備え、第１のレンズ１８と複数の第２のレンズ２８ａとの間のそれぞれの間の光路長は互いに異なっており、第１のレンズ１８による収束光のビームウェスト位置は、第１のレンズ１８と複数の第２のレンズ２８ａとの間のそれぞれの距離の平均値に設定されている。【選択図】図４

Description

本発明は、光受信モジュールに関し、特に、互いに異なる波長を有する複数の信号光が多重化された波長多重信号光を受光し、それぞれの信号光に対応する電気信号を出力する光受信モジュールに関する。

近年、通信速度の高速化が進んでおり、光トランシーバ等に用いられる光受信モジュールには４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓの伝送速度に対応することが求められる。このような高速伝送では、単一波長の信号光ではなく、互いに異なる波長を有する複数の信号光が多重化された波長多重信号光が用いられることが多い。

波長多重信号光を受信する場合、受光素子を１つのみ実装した光受信モジュールを光トランシーバに複数設ける構成では、光トランシーバが大型化してしまうので、小型の光トランシーバでは複数の受光素子を単一の光受信モジュールに実装して、該光受信モジュールにて波長多重信号光を受信することが行われている。

波長多重信号光を受信する光受信モジュールとしては、例えば、特許文献１に開示のものがある。この光受信モジュールは、波長多重信号光を入力光とし、コリメート光を出力する第１のレンズと、上記コリメート光をそれぞれの信号光が有する波長に従って各信号光に分離する光デマルチプレクサと、該光デマルチプレクサにより分離された信号光それぞれを収束する第２のレンズと、該第２のレンズにより収束された信号光それぞれを受光する複数の受光素子と、を備える。また、特許文献１に開示の光受信モジュールは、光デマルチプレクサにより分離された信号光をパッケージ底壁方向に向けて反射させるミラーを備えており、該ミラーと光デマルチプレクサとが、パッケージ底壁から支持部材により離間させて配置したキャリア上に実装された形態で収容されている。この構成の光受信モジュールは、パッケージの大型化を防ぐことができる。なお、特許文献１に開示の光受信モジュールでは、第２のレンズ及び受光素子はそれぞれアレイ状に設けられている。

特開２０１３−１２５０４５号公報

しかし、特許文献１の光受信モジュールでは、後述するように、波長が互いに異なる信号光間で光結合効率に差が生じてしまう。この光結合効率の差は、第２のレンズ及び受光素子を信号光毎に個別に設けそれぞれ調芯することにより、補償することはできるが、生産効率の低下を伴うことになる。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、波長多重信号光を受信する光受信モジュールであって、生産効率を下げずに、信号光の波長毎の光結合効率の差を小さくすることが可能であり、また、小型化可能なものを提供することをその目的とする。

本発明の光受信モジュールは、互いに異なる波長を有する複数の信号光が多重化された波長多重信号光を入力光とし、収束光を出力する第１のレンズと、収束光をそれぞれの信号光が有する波長に従って複数の信号光それぞれに分離する光デマルチプレクサと、分離された信号光それぞれを収束する複数の第２のレンズと、該第２のレンズにより収束された信号光それぞれを受光する複数の受光素子と、を備え、第１のレンズと複数の第２のレンズとの間のそれぞれの間の光路長は互いに異なっており、第１のレンズによる収束光のビームウェスト位置は、第１のレンズと複数の第２のレンズとの間のそれぞれの距離の平均値に設定されている。

本発明の光受信モジュールによれば、生産効率を下げずに、信号光の波長毎の光結合効率の差を小さくすることができ、また、小型化することができる。

本発明に係る光受信モジュールの一例を示す図である。 図１の光受信モジュールを説明するための図である。 レンズアレイ及びＰＤ（Photo Diode）アレイを説明するための図である。 図１の光受信モジュールにおける光学系を模式的に示した図である。 従来の光モジュールにおいて実際の光ファイバの光出力端から出力される光の様子を示す図である。 第２のレンズに投影されるビーム径と光ファイバの出力端から第１のレンズまでの距離との関係を示す図である。 本発明に係る光モジュールにおいて光ファイバの光出力端から出力される光の様子を示す図である。 レーン毎の第２のレンズにおけるビーム径の計算結果の一例を説明するための図である。 レーン毎の第２のレンズにおけるビーム径の計算結果の一例を説明するための図である。 レーン毎の第２のレンズにおけるビーム径の計算結果の一例を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の光受信モジュールに係る好適な実施の形態について説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内ですべての変更が含まれることを意図する。また、以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

図１及び図２は、本発明に係る光受信モジュールの一例を示す図である。図１は説明を容易にするためにパッケージの蓋を外し、フレームの一部を破断した状態で示す斜視図、図２（Ａ）は図１の光受信モジュールの断面図、図２（Ｂ）は光受信部分の構成を説明するための模式図である。

図１の光受信モジュール（以下、光モジュール）１０は、互いに異なる波長を有する複数の信号光が多重化された波長多重信号光を受光し、それぞれの信号光に対応する電気信号を出力するものである。この光モジュール１０は、シングルモードの外部光ファイバが接続されるレセプタクル１１と、受光素子や光学部品等が収容されるパッケージ１２と、外部回路との電気接続のための端子部１３とを備えている。レセプタクル１１は、光コネクタのフェルールが挿入されるスリーブ１４と、レセプタクル１１をパッケージ１２に接合させるためのホルダ１６と、スリーブ１４とホルダ１６とを調心可能な状態で連結するジョイントスリーブ１５とを有する。以下では、光モジュール１０のレセプタクル１１側を前側、反対側を後側として説明する。

パッケージ１２は、略直方体形状であり、例えば、角状のフレーム２０と、底壁２１と、上部開口を塞ぐ蓋２２（図２（Ａ）参照）とを有する。フレーム２０の前壁には、円筒状のブッシュ２３が設けられている。底壁２１は、銅モリブデンや銅タングステン等の材料を用いることができ、また、熱伝導性のよい材料を用いることにより放熱性を高めることができる。蓋２２は、フレーム２０に対してシームシールされ、フレーム２０内部に搭載された素子や部品を気密封止する。端子部１３は、例えば、複数のセラミック基板を積層して形成され、フレーム２０の後壁に組み付けられ、さらに、パッケージ１２内の素子と外部系とを電気的に接続する、高周波ライン及び電源ラインが形成されている。

レセプタクル１１のホルダ１６は、図２（Ａ）に示すように、フレーム２０の前面側に設けたブッシュ２３を介してパッケージ１２に固定される。ホルダ１６には、ジョイントスリーブ１５を介してスリーブカバー１４ａに保護されたスリーブ１４が結合され、ジョイントスリーブ１５により軸方向と径方向に対する調芯が行われる。スリーブ１４内には、スリーブ１４に挿入された外部ファイバとの間で光結合を形成するスタブ１７が配され、ホルダ１６にはスタブ１７中心に配された結合ファイバ（シングルモードファイバ）から出射された波長多重信号光を入力光とし、収束光を出力する第１のレンズ１８が配される。

なお、第１のレンズ１８は、スタブ１７内の結合ファイバの出力端から第１のレンズ１８までの距離と、第１のレンズ１８の焦点距離とを一致させたときにコリメート光を出力するものである。ただし、第１のレンズ１８は、後述のように、上記出力端と第１のレンズ１８までの距離と、第１のレンズ１８の焦点距離とを一致させては用いられず、上記第１のレンズ１８までの距離が第１のレンズ１８の焦点距離より長く配置されて用いられる。その結果、第１のレンズ１８から収束光が得られる。第１のレンズ１８からの信号光は、ブッシュ２３内に設けられた光学窓１９を経て、パッケージ１２内に導かれる。

パッケージ１２内には、第１のレンズ１８から出射された収束光を波長に基づいてそれぞれの信号光に分離する光デマルチプレクサ（以下、Optical De-Multiplexer: O-DeMux）２６が収容される。また、パッケージ１２内には、O-DeMux２６により分離／分波された信号光（以下、分波信号光という）の光軸を９０°曲げ、レンズアレイ２８等が実装される底壁２１側に向けて反射するミラー２７が収容される。O-DeMux２６とミラー２７は、支持部材２４により底壁２１から離間して配置されたキャリア２５上に底壁２１に向き合って実装される。

また、パッケージ１２内には、レンズアレイ２８と、ＰＤアレイ２９とが収容される。レンズアレイ２８及びＰＤアレイ２９は、第１の実装基板３０及び第２の実装基板３１を介して底壁２１上に実装される。

図３は、レンズアレイ２８及びＰＤアレイ２９を説明する図である。レンズアレイ２８は、ミラー２７（図２参照）で反射された分波信号光をそれぞれ収束する４つの第２のレンズ２８ａが、透明ガラス基板２８ｂによってアレイ状に一体化されたものである。ＰＤアレイ２９は、第２のレンズ２８ａにより収束された分波信号光をそれぞれ受光する４つのＰＤ２９ａがアレイ状に一体化されたものである。なお、ＰＤ２９ａは本発明の「受光素子」の一例である。

第１の実装基板３０は、各ＰＤ２９ａの不図示の電極に対応する不図示の金属パターンを有しており、該金属パターン上にＰＤ２９ａが固定される。また、第１の実装基板３０の両端には、角柱状のポスト３３を固定するため、ポスト３３の底面と略同じ形状の不図示の金属パターンが形成されている。この金属パターン上に、底面に金属メッキが施されたポスト３３が固定され、該ポスト３３上にレンズアレイ２８が固定される。

図２の説明に戻る。上述のような部品から構成される光モジュール１０は、図２（Ｂ）に示すように、O-DeMux２６とミラー２７が、底壁２１から高さ方向に平行に離間したキャリア２５の実装面に実装される。そして、レンズアレイ２８とＰＤアレイ２９は、キャリア２５の下方に形成される空間を利用して、上下方向に配列される。すなわち、ミラー２７とレンズアレイ２８とＰＤアレイ２９は、パッケージ１２内の上下方向に重なっており、底壁２１上に部品搭載スペースを生む。このスペースに、ＰＤアレイ２９の各ＰＤ２９ａの信号を増幅するプリアンプ回路であるＩＣ部品３２をＰＤアレイ２９に近接して配置することが可能となる。また、ミラー２７すなわちO-DeMux２６と、レンズアレイ２８及びＰＤアレイ２９とが高さ方向に離間した状態において各ＰＤ２９ａが信号光を受光でき、O-DeMux２６から出力されるそれぞれの信号光の光軸と、それぞれの信号光に対応する第２のレンズ２８ａの光軸とは、ミラー２７により９０°の角度を為している。

図４は、光モジュール１０における光学系を模式的に示した図である。O-DeMux２６は、一の入力ポート２６ａと、波長多重数に応じた数の波長選択フィルタ２６ｂ及び出力ポート２６ｃと、反射膜２６ｄを一の母体に有し、すなわち一体化したものである。

光モジュール１０において、互いに異なる複数の波長（λ１、λ２、λ３、λ４）の信号光を含む波長多重信号光がスタブ１７の結合ファイバ１７ａから出力され、第１のレンズ１８を介し、O-DeMux２６の入力ポート２６ａに入力されると、１番目に配列された波長選択フィルタ２６ｂによって、第１の波長λ１の信号光のみ出力ポート２６ｃから透過され、その他の波長の信号光（λ２、λ３、λ４）は反射される。この反射された信号光は、波長選択フィルタ２６ｂを備える面に対向する面（入力ポート２６ａが形成されている面）に設けられた反射膜２６ｄにより全反射され、２番目の波長選択フィルタ２６ｂに入射し、当該フィルタ２６ｂによって、第２の波長λ２の信号光のみ透過され、出力ポート２６ｃに向かい、その他の波長の信号光（λ３、λ４）は反射され再び反射膜２６ｄに向かう。以下、同様に透過と反射を繰り返して、出力ポート２６ｃそれぞれから一の波長の信号光のみが出力される。出力ポート２６ｃから出力された信号光は、ミラー２７（図２参照）により反射されて、上述したようにレンズアレイ２８を経てＰＤ２９ａで受光される。

光モジュール１０は、特許文献１に開示の従来の光モジュールと構成物品自体に差はないが、第１のレンズ１８の配置位置に特徴がある。本発明の特徴部分を説明する前にまず従来の光モジュールにおける課題を説明する。

光モジュール１０や従来の光モジュールにおけるO-DeMux２６は、図４からも明らかなように、入力ポート２６ａからそれぞれの出力ポート２６ｃまでの光学距離（実距離）が異なる。すなわち、第１のレンズ１８〜第２のレンズ２８ａ間の距離がそれぞれのレーン（チャネル）で異なることになる。なお、以下の説明では、レーン（Lane）０は、第４の波長λ４の信号光の光路にあたるものであり、レーン１，２，３はそれぞれ第３，２，１の波長λ３，λ２，λ１の信号光の光路にあたるものである。

レーン間で上述のように光学距離が異なるため、従来の光モジュールでは、第１のレンズ１８の焦点と光ファイバ１７ａの光出力端を一致させ該第１のレンズ１８をいわゆるコリメートレンズとして機能させ、同時に第２のレンズ２８ａを集光レンズとすることで、第１のレンズ１８〜第２のレンズ２８ａ間でのレーン間の距離の相違を補償していた。

しかし、第１のレンズ１８の焦点と光ファイバ１７ａの光出力端とを一致させて第１のレンズ１８からの出力光が完全なコリメート光となるのは、上記光出力端が理想的な点光源とみなせる場合のみである。実際は、上記光出力端は有限な広がりを有する光源である。

図５は、従来の光モジュールにおいて実際の光ファイバ１７ａの光出力端から出力される光の様子を示す図である。上述の通り、実際の光ファイバ１７ａの光出力端は有限な広がりを有する光源とみなされ、このような光出力端から第１のレンズ１８までの距離Ｌ１と、第１のレンズ１８の焦点距離Ｌｆとを一致させて配置すると、図示するように、第１のレンズ１８からの出力光は第１のレンズ１８の近傍ではコリメート光に近いフィールドパターンが得られる。しかし、第１のレンズ１８から離れるに従い、拡散するフィールドパターンしか得られない。つまり、光学距離が短いレーン３ではコリメート光に近いフィールドパターンが得られるが、光学距離が長いレーン０等では拡散するフィールドパターンしか得られない。

図６は、第２のレンズ２８ａに投影されるビーム径と光ファイバ１７ａの出力端から第１のレンズ１８までの距離との関係を示す図である。図６のグラフの横軸は、光ファイバ１７ａの出力端から第１のレンズ１８までの距離を示し、縦軸は、各レーンにおける第２のレンズ２８ａ上に投影されるビーム径を示す。第１のレンズ１８の焦点距離は７２０μｍで設計されている。しかし、第１のレンズ１８の焦点距離の位置に第１のレンズ１８を搭載すると、第２のレンズ２８ａ上へ投影したビーム径は、レーン０で〜２３０μｍ、レーン３で〜２２６μｍとなり、約４μｍの差が生ずる。

また、上記ビーム径が第２のレンズ２８ａの有効径に収まる場合であっても（上記４μｍの差は第２のレンズ２８ａの有効径で十分カバーされる）、第２のレンズ２８ａの対応するＰＤ２９ａへの集光度が各レーン間で異なることになり、結局、レーン間での光結合効率の差を生んでしまう。第２のレンズ２８ａとＰＤ２９ａをアレイ状ではなく、各レーンにおいて別体で設け、それぞれを調芯することにより、レーン間の光結合効率の差を補償することは可能であるが、生産効率の低下を伴うことになる。

そこで本発明では以下のような構成を採る。図７は、本発明に係る光モジュール１０において光ファイバ１７ａの光出力端から出力される光の様子を示す図である。光モジュール１０では、光ファイバ１７ａの光出力端から第１のレンズ１８までの距離Ｌ１を第１のレンズ１８の焦点距離Ｌｆより大きくすることよって、第１のレンズ１８からの出力光をコリメート光ではなく準コリメート光にする。

ここで、光ファイバ１７ａの光出力端から第１のレンズ１８までの距離Ｌ１が第１のレンズ１８の焦点距離Ｌｆより大きいため、第１のレンズ１８からの出力光は収束光となるが、そのビームウェスト位置は図に示すようにレーン１とレーン２との間に設定される。より具体的には、第１のレンズ１８からの出力光のビームウェスト位置は、第１のレンズ１８から所定距離分離間した位置付近に設定され、上記所定距離が第１のレンズ１８と複数の第２のレンズ２８ａとの間のそれぞれの距離の平均値である。上述のように上記ビームウェスト位置がレーン１とレーン２との間に設定されるため、光モジュール１０では、第２のレンズ２８ａに投影されるビーム径のレーン間の差は非常に小さくなる。

図８〜図１０及び表１は、レーン毎の第２のレンズ２８ａにおけるビーム径の計算結果の一例を説明するための図及び表である。図８に示すように、光モジュールが、４レーンが多重化された光信号を受信し、各光信号に対応する電気信号を出力するものであり、第１のレンズ１８が、ファイバ側の焦点距離が７２０μｍである集光レンズであり、O-DeMux２６が、第１のレンズ１８からの距離Ｌ２が１ｍｍの値で配置されているものとする。また、O-DeMux２６への光の入射角すなわちO-DeMux２６の搭載傾斜角は１５．１°に設定されているものとする。

図では、第１のレンズ１８からO-DeMux２６へ入射した光が直線上に波長選択フィルタ２６ｂに進行しているが、実際はO-DeMuxへの入射面でフレネル屈折が生じている。したがって、O-DeMux２６の母材の屈折率が石英の屈折率に相当する〜１．５１であったとすると、波長選択フィルタ２６ｂ及び反射膜２６ｄへの入射角は１０°となる。

また、O-DeMux２６から出力される複数の信号光の光軸は、O-DeMux２６に入射される波長多重信号光の光軸は平行であるものとする。この条件は、波長選択フィルタ２６ｂの搭載面と反射膜２６ｄの形成面が平行である限り十分な精度で実現される。また、O-DeMux２６から出力される複数の信号光は、上記平行度を維持したまま第２のレンズ２８ａに入力されるものとする。

複数ある出力ポート２６ｃは１つの面に形成されており、その面は光軸に対して傾斜しているため、各出力ポート２６ｃと第２のレンズ２８ａとの距離Ｌ３〜Ｌ６は相違し、この距離はレーン０のものが最も短い。ここでは、レーン０〜３の順に、すなわち、距離Ｌ３〜Ｌ６の順に、１．３、１．４３５、１．５７０、１．７０５ｍｍであるものとする。

上述の距離Ｌ３〜Ｌ６に、O-DeMux２６から第１のレンズ１８までの距離Ｌ２を加算し、さらに、O-DeMux２６内の光路長を加算することにより、各レーンの第１のレンズ１８から第２のレンズ２８ａまでの光路長を得ることができる。以下の表１は、以上の条件等に基づいて、計算された、各レーンで受光する信号光の波長と、各レーンの第１のレンズ１８から第２のレンズ２８ａまでの光路長を示している。

表に示すように、レーン０の上記光路長が最も大きく２２ｍｍを越え、レーン３の上記光路長はわずか９．１ｍｍとレーン０のものの１／２以下の長さにしかならない。ここで上記光路長は各レーンが対象とする波長にも左右される。それは、O-DeMux２６の各部材の屈折率の波長依存性が寄与するからである。

図９は、以上の条件において、第１のレンズ１８をその焦点距離近傍で光ファイバ１７ａの光出力端に対して前後させたときの、O-DeMux２６通過後の第２のレンズ２８ａ上への投影径の挙動をレーン毎に示したものである。図示するように、光ファイバ１７ａの光出力端に対する第１のレンズ１８の位置を当該レンズの焦点距離である７２０μｍとした場合、レーン間での上記投影径すなわちビーム径の差は２３０−２２６＝４μｍ程度存在する。一方、光ファイバ１７ａの光出力端に対する第１のレンズ１８の位置を当該レンズの焦点距離より離していくと、レーン間でのビーム径の差は徐々に小さくなっていく。そして、焦点距離より５μｍ離した７２５μｍとしたときに、前述の図７に示すように第１のレンズ１８からの出力光のビームウェスト位置がレーン２とレーン１との間に位置し、図９に示すように各レーン間でのビーム径差が最小（＜１μｍ）となる。

図１０は、受光径がφ２４０μｍのＰＤ２９ａに対する実際の光結合効率を計測した結果を示している。図中の符号Ｅ１は、第１のレンズ１８から光ファイバ１７ａの光出力端までの距離を７２５μｍに設定したときの結果を示し、一方、符号Ｅ１０は、比較例のものであり、第１のレンズ１８から光ファイバ１７ａの光出力端までの距離を該レンズ１８の焦点距離である７２０μｍとしたときの結果を示している。

図５のビームパターンを参照するとレーン０に向けてビーム径が指数関数（２次関数）的に広がることを考慮すると、結合効率はその逆数として減少するものと考えられ、実際、図１０に示すように、比較例すなわち従来の光学系では、光結合効率は、レーン３について最も高く、以後、レーン０に向けて漸減し、レーン０では９０％未満となっている。

それに対し、第１のレンズ１８から光ファイバ１７ａの光出力端までの距離を７２５μｍに設定したとき、第１のレンズ１８から出力された光のビームウェストの位置は、ほぼ各レーンの第１のレンズ１８から第２のレンズ２８ａまでの距離の平均値分、第１のレンズ１８から離間した位置となり、レーン１とレーン２の間となるので、レーン１とレーン２の光結合効率が極大となる。しかし、各レーンにおける第２のレンズ２８ａに投影されるビーム径の差は小さいため、レーン０とレーン３についても光結合効率は９５％以上の値が確保される。

１０…光受信モジュール（光モジュール）、１１…レセプタクル、１２…パッケージ、１３…端子部、１４…スリーブ、１４ａ…スリーブカバー、１５…ジョイントスリーブ、１６…ホルダ、１７…スタブ、１７ａ…結合ファイバ、１８…第１のレンズ、１９…光学窓、２０…フレーム、２１…底壁、２２…蓋、２３…ブッシュ、２４…支持部材、２５…キャリア、２６…O-DeMux、２６ａ…入力ポート、２６ｂ…波長選択フィルタ、２６ｃ…出力ポート、２６ｄ…反射膜、２７…ミラー、２８…レンズアレイ、２８ａ…第２のレンズ、２９…ＰＤアレイ、２９ａ…ＰＤ。

Claims (5)

1. 互いに異なる波長を有する複数の信号光が多重化された波長多重信号光を入力光とし、収束光を出力する第１のレンズと、
   前記収束光をそれぞれの信号光が有する波長に従って前記複数の信号光それぞれに分離する光デマルチプレクサと、
   分離された前記信号光それぞれを収束する複数の第２のレンズと、
   該第２のレンズにより収束された信号光それぞれを受光する複数の受光素子と、を備え、
   前記第１のレンズと前記複数の第２のレンズとの間のそれぞれの間の光路長は互いに異なっており、
   前記第１のレンズによる収束光のビームウェスト位置は、前記第１のレンズと前記複数の第２のレンズとの間のそれぞれの距離の平均値に設定されている、光受信モジュール。
2. 前記光デマルチプレクサは、前記波長多重信号光が入力される入力ポートと、前記複数の信号光それぞれを出力する複数の出力ポートを有し、前記入力ポートと前記複数の出力ポートそれぞれの間の光路長が互いに異なる、請求項１に記載の光受信モジュール。
3. 前記複数の第２のレンズはアレイ状に一体化されたアレイレンズである、請求項１または２に記載の光受信モジュール。
4. 前記複数の受光素子はアレイ状に一体化された受光素子アレイである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光受信モジュール。
5. 前記光デマルチプレクサから出力される信号光の光軸と該信号光に対応する前記第２のレンズの光軸とはそれぞれ９０°の角を為す、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光受信モジュール。
   

Images