特開 2024-142205 光送信モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024142205

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】光送信モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/02257 20210101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

H01S5/02257

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054267

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】591230295

【氏名又は名称】ＮＴＴイノベーティブデバイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】中西 泰彦

(72)【発明者】

【氏名】金澤 慈

(72)【発明者】

【氏名】佐原 明夫

(72)【発明者】

【氏名】小杉 敏彦

(72)【発明者】

【氏名】西澤 寿樹

(72)【発明者】

【氏名】内田 敏昭

(72)【発明者】

【氏名】大庭 直樹

(72)【発明者】

【氏名】三橋 祐司

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173MB01

5F173MC01

5F173ME23

5F173ME32

5F173MF29

5F173MF39

5F173MF40

(57)【要約】

【課題】光モニタを内蔵しつつ、効率良くレーザ光を監視することが可能な光送信モジュールを提供する。
【解決手段】光送信モジュール１０は、レーザ光を出力する発光素子（ＬＤ）１１と、レーザ光の光路に設けられるレンズ１２と、レーザ光の光路においてレンズ１２よりも下流側に設けられ、光路に対して傾斜した透明板１９と、透明板１９からのレーザ光の反射光が受光可能な位置に設けられる受光素子（ＰＤ）１３とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出力する発光素子と、
前記レーザ光の光路に設けられるレンズと、
前記光路において前記レンズの下流側に設けられ、前記光路に対して傾斜した透明板と、
前記透明板からの前記レーザ光の反射光が受光可能な位置に設けられる受光素子と
を備える光送信モジュール。

【請求項2】

前記透明板は、互いに平行な前記レーザ光の入射面及び出射面を有する
請求項１記載の光送信モジュール。

【請求項3】

前記透明板は、次式を満たす厚みｔを有する
請求項２記載の光送信モジュール。
ｔ≧ｗ／｛２×ｃｏｓ（θ_１）×ｔａｎ（θ_２）｝
ただし、
ｗ：前記反射光の直径及び前記受光素子の直径のうちの小さい方の直径
ｔ：前記透明板の厚み
θ_１：前記透明板に入射する前記レーザ光の、前記入射面に対する入射角
θ_２：前記透明板内を進行する前記レーザ光の、前記出射面に対する入射角

【請求項4】

前記透明板は、その延長面が互いに交差する前記レーザ光の入射面及び出射面を有する
請求項１記載の光送信モジュール。

【請求項5】

前記入射面と前記出射面の前記延長面が成す角度θ_ｗが次式を満たす
請求項４記載の光送信モジュール。
θ_ｗ≧ｔａｎ^－１（ｗ／Ｌ）／（２×ｎ）
ただし、
ｗ：前記反射光の直径及び前記受光素子の直径のうちの小さい方の直径
ｎ：前記透明板の屈折率
Ｌ：前記透明板から前記受光素子までの距離

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光送信モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

光通信システムに対する恒常的な課題の１つとして、システムスループットの向上が挙げられる。この要請から、光通信システムを構築する基本的な構成要素である光送信モジュールにも小型化が求められている。

【0003】

光送信モジュールは、通信用のレーザ光を出力するレーザダイオード（以下、ＬＤと称する）を備える。一般的に、一定の駆動電流に対するＬＤの光強度は経年劣化によって減衰する。このため、フォトダイオード（以下、ＰＤと称する）を用いた光強度の監視によるフィードバック制御をＬＤに対して行い、所望の光強度を維持している。特許文献１～３及び非特許文献１は関連技術としての光送信モジュールを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４－１６５２９９号公報

【特許文献2】特開２００９－２５３０８６号公報

【特許文献3】特開２００２－２７０９５２号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】T. Shindo et al., "High Power and High Speed SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser (AXEL) for 53-Gbaud PAM4 Fiber-Amplifier-Less 60-km Optical Link," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 11, pp. 2984-2991, 1 June1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2974511.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

通信用のＬＤには比較的強度の大きいレーザ光を出力するものが多い。従って、ＰＤを内蔵する光送信モジュールで、出力光のフィードバック制御を行う場合、ＰＤによる迷光の受光することを極力抑える必要がある。ＰＤによる迷光の受光を抑制するには、迷光の発生箇所からＰＤを離隔させることが効果的であるが、ＰＤの離隔によって光送信モジュールが大型化してしまう。光送信モジュールの大型化はシステムスループットの向上と相反しやすい。

【0007】

本開示は、上述の事情を鑑みて成されたものであり、光モニタとしてのＰＤを内蔵しつつ、効率良くレーザ光を監視することが可能な光送信モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様に係る光送信モジュールは、レーザ光を出力する発光素子と、前記レーザ光の光路に設けられるレンズと、前記光路において前記レンズの下流側に設けられ、前記光路に対して傾斜した透明板と、前記透明板からの前記レーザ光の反射光を受光可能な位置に設けられる受光素子とを備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、光モニタとしてのＰＤを内蔵しつつ、効率良くレーザ光を監視することが可能な光送信モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施形態に係る光送信モジュールの構成の一例を示す側面図である。

【図2】レーザダイオードから光ファイバまでの構成の配置を示す拡大図である。

【図3】本実施形態に係る透明板によるレーザ光の反射を説明するための図である。

【図4】透明板によるレーザ光の分岐比の波長依存性を示すグラフである。

【図5】透明板の厚みに応じた波長リプル振幅を示すグラフである。

【図6】本実施形態の変形例に係る透明板によるレーザ光の反射を説明するための図である。

【図7】レーザ光の分岐比の波長依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施形態に係る光送信モジュールについて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0012】

図１は、本実施形態に係る光送信モジュール１０の構成の一例を示す側面図である。図２はレーザダイオードから光ファイバまでの構成の配置を示す拡大図である。図３は、光送信モジュール１０の構成の他の一例を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

【0013】

光送信モジュール１０は、入力された電気信号をレーザ光１の光信号に変換して出力する光デバイスである。光送信モジュール１０から出力したレーザ光１は、集光レンズ２０等の光学素子を介して、光ファイバ２１の端部２１ａに入力する。本実施形態に係る光送信モジュール１０は、例えば、光通信システムの構成要素として使用される。

【0014】

光送信モジュール１０は、発光素子としてのレーザダイオード１１と、レンズ１２と、受光素子としてのフォトダイオード１３と、これらを収容するパッケージ１４とを備える。以下、説明の便宜上、レーザダイオードをＬＤ、フォトダイオードをＰＤと称する。また、ＬＤ１１が出力するレーザ光１の軌跡を光路１ａと称する。光路１ａはレーザ光１の中心軸でもある。

【0015】

まずパッケージについて説明する。
パッケージ１４は、ステム１５と、キャップ１６とを備える。ステム１５は円板状に形成され、複数のリードピン１７を支持する。リードピン１７はＬＤ１１、ＰＤ１３、或いはこれらの制御回路（図示せず）に電気的に接続する。ステム１５にはキャリア（チップキャリア、キャリア基板）１８が設けられる。キャリア１８には、ＬＤ１１、レンズ１２、及びＰＤ１３が取り付けられる。換言すれば、キャリア１８はこれらを支持する。

【0016】

キャップ１６は所定の外径を有する中空の筒状部材であり、ＬＤ１１、レンズ１２、及びＰＤ１３等のステム１５上に位置する部品を覆う上面１６ａを有する。上面１６ａにおいてレーザ光１の光路１ａと交差する位置には窓部１６ｂが形成されている。窓部１６ｂには透明板１９が取り付けられている。この透明板１９については後述する。

【0017】

キャップ１６内の空間は、ステム１５へのキャップ１６の固定によって封じられる。なお、パッケージ１４は図１に示すＴＯ－ＣＡＮ型の形状を有する。ＴＯ－ＣＡＮパッケージは光送信モジュールの標準的なパッケージである。ただし、パッケージ１４の形状はＴＯ－ＣＡＮ型に限られず、他種のパッケージの形状を採用することも可能である。

【0018】

次にパッケージに収容される部品について説明する。
ＬＤ１１は駆動電流に応じた強度のレーザ光１を出力する。レーザ光１の波長帯は任意であり、例えば１３１０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、又は１６００ｎｍ帯である。ＬＤ１１はファブリ・ペロー型半導体レーザ（ＦＰ－ＬＤ）、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）、電界吸収型変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＡＤＦＢレーザ）、垂直外部共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）、或いはその他の種の半導体レーザの何れでもよい。この波長帯は、例えば光送信モジュール１０が採用される光通信システムの仕様に応じて選定される。

【0019】

本実施形態に係る発光素子として、ＬＤ（半導体レーザ）と半導体光増幅器（ＳＯＡ）が集積された半導体光増幅器集積ＬＤ（図示せず）を採用してもよい。半導体光増幅器集積ＬＤは、単一の光デバイスとして半導体光増幅器がモノリシック集積される構造を有してもよいし、半導体光増幅器がハイブリッド集積される構造を有してもよい。レーザ光１は、半導体光増幅器集積ＬＤのＬＤによって生成された後、半導体光増幅器に入射して増幅され、その後、レンズ１２に向けて出射する。

【0020】

レンズ１２は、レーザ光１の光路１ａに設けられる。レンズ１２のＬＤ１１側焦点は、レーザ光１が放出されるＬＤ１１の端面１１ａ又はその近傍に位置する。従って、レンズ１２を通過した後のレーザ光１は平行光、それに近い収束光、又はそれに近い発散光となる。つまり、レンズ１２は実質的に、平行光を形成する。レンズ１２の焦点距離は例えば１ｍｍである。

【0021】

図２に示すように、レンズ１２は入射面１２ａと、出射面１２ｂとを有する。入射面１２ａはＬＤ１１に面している。一方、出射面１２ｂは、キャップ１６の透明板１９に面している。レーザ光１は入射面１２ａから入射し、出射面１２ｂから出射する。

【0022】

光ファイバ２１に入力されるレーザ光１の強度を上げるためには、光送信モジュール１０内での光接続損失を減らす必要がある。この光接続損失を減らすためには、大きな開口数（ＮＡ）を持つレンズを用いることが有利である。本実施形態に係るレンズ１２は、開口数が０．５以上且つ１未満となる有効口径を有する。なお、開口数は０．７位以上であることが好ましい。

【0023】

ＰＤ１３は、レーザ光１の反射光３が受光可能な位置に設けられる。例えば、図１に示すように、ＰＤ１３はステム１５上のＬＤ１１と略同じ高さの位置に設けられる。ＰＤ１３は、受光面１３ａに入射したレーザ光１を、その強度に応じた電気信号に変換し、フィードバック回路等の制御回路に出力する。

【0024】

ＰＤ１３のサイズ（寸法）は、レンズ１２を通過したレーザ光１のビーム径に略等しいかそれよりも小さい。例えば、ＰＤ１３のサイズは０．４９ｍｍ角であり、その受光面１３ａの直径は０．３ｍｍである。

【0025】

透明板１９はガラス材等の透明な材料によって形成された板部材であり、レーザ光１の光路１ａにおいてレンズ１２の下流側に設けられている。また、透明板１９は、レンズ１２を通過したレーザ光１の光路１ａに対して所定の傾斜角で傾斜している。この傾斜角は、入射面１９ａによって鏡面反射されたレーザ光１の反射光３がＰＤ１３に到達する値に設定されている。

【0026】

透明板１９は、レーザ光１の入射面１９ａと出射面１９ｂを有する。入射面１９ａ及び出射面１９ｂは互いに平行でもよく（図１参照）、非平行でもよい（図６参照）。透明板１９を通過したレーザ光１の透過光２は、集光レンズ２０等の光学素子に向けて進行する。一方、透明板１９によるレーザ光１の反射光３は、ＰＤ１３に向けて進行する。

【0027】

図１に示すように、出射面１９ｂには反射防止コート（反射防止膜）１９ｄが施されている。入射面１９ａには部分反射コート（部分反射膜）１９ｃが施されている。ＰＤ１３は入射面１９ａによって反射されたレーザ光１を受光する必要がある。このため、部分反射コート１９ｃはＰＤ１３の受光に必要な分岐比（光分岐率）を満たす反射率を有する。なお、必要な反射率がフレネル反射率に近い場合、部分反射コート１９ｃは省略されてもよい。

【0028】

上述の通り、レンズ１２を通過した後のレーザ光１は平行光、それに近い収束光、又はそれに近い発散光である。従って、透明板１９によって反射されたレーザ光１の反射光３も、平行光、それに近い収束光、又はそれに近い発散光である。従って、反射光３は、そのビーム径を殆ど変えずに、ＰＤ１３の受光面１３ａに入射することなる。つまり、反射光３を効率良く受光することができる。

【0029】

図３は、透明板１９によるレーザ光１の反射を説明するための図である。図３に示す例のように、入射面１９ａと出射面１９ｂは互いに平行でもよい。この場合、透明板１９は、一定の厚みｔを有する平行平板である。

【0030】

透明板１９によるレーザ光１の反射光３は、反射光３ａと、反射光３ｂとを含む。反射光３ａは、入射面１９ａによって反射したレーザ光１である。一方、反射光３ｂは、透明板１９内を進行し、透明板１９内で出射面１９ｂよって反射したレーザ光１である。

【0031】

図３に示す例では、反射光３ａと反射光３ｂの進行方向は互いに平行である。しかしながら、透明板１９（入射面１９ａ）に対するレーザ光１の斜入射とその後の透明板１９内の進行によって、反射光３ｂの中心は反射光３ａの中心から距離ｓだけずれる。ＰＤ１３にとって、反射光３ａは信号光（モニタ光）であり、反射光３ｂはその迷光である。従って、上述した反射光３ｂの位置ずれによって、ＰＤ１３で受光される迷光の強度を低減させることができる。

【0032】

入射面１９ａにおける反射光３ｂの位置は、厚みｔが増すほど反射光３ａから離れる。具体的にはこの厚さｔが下記の式１を満たす場合、迷光である反射光３ｂがＰＤ１３に入射しなくなる。つまり、レーザ光１由来の迷光を排除できる。
ｔ≧ｗ／｛２×ｔａｎ（θ_２）×ｃｏｓ（θ_１）｝ ・・・（式１）
ここで、ｗは反射光３ａの直径ｗ１及びＰＤ１３の直径ｗ２のうちの小さい方の直径である。θ_１は透明板１９に入射するレーザ光１の、入射面１９ａに対する入射角であり、θ_２は透明板１９内を進行するレーザ光１の、出射面１９ｂに対する入射角である。
なお、入射角θ_２及び距離ｓはそれぞれ、下記の式２及び式３で表される。
θ_２＝ｓｉｎ^－１（ｓｉｎ（θ_１）／ｎ）） ・・・（式２）
ｓ＝２×ｔ×ｔａｎ（θ_２）×ｃｏｓ（θ_１） ・・・（式３）
ここでｎは透明板１９の屈折率である。

【0033】

図４は、透明板１９によるレーザ光１の分岐比の波長依存性を示すグラフである。図５は、透明板１９の厚みｔに応じた波長リプル振幅を示すグラフである。なお、波長リプル振幅とは、波長に対する周期的な分岐比の変化の最小値と最大値の差である。図４及び図５に示す数値解析では、ＬＤ１１の受光面１３ａの直径を０．３ｍｍ、入射角θ_１を１７°、透明板１９の屈折率を１．５０４と想定している。

【0034】

図４中、点線は透明板１９の厚みｔが３００μｍのときの波長に対する分岐比の変化、二点鎖線は透明板１９の厚みｔが６００μｍのときの波長に対する分岐比の変化、実線は透明板１９の厚みｔが９００μｍのときの波長に対する分岐比の変化を示す。この図から明らかな通り、透明板１９の厚みｔの増加によって、波長に対する分岐比の変化が低減されることが判る。これは図５からも理解できる。つまり、厚みｔが増加することによって、ＰＤ１３が受光するレーザ光１の強度の波長依存性が低減されることが判る。これにより、ＰＤ１３が受光するレーザ光１（即ち反射光３ａ）の強度の波長依存性が低減される。即ち、様々な波長に対する反射光３ａの安定な監視が更に促進される。

【0035】

図６は、本実施形態の変形例に係る透明板１９によるレーザ光１の反射を説明するための図である。図６に示すように、透明板１９は図３に示すような平行平板でなく、楔型の断面を有する板状の透明部材であってもよい。なお、透明板１９の断面形状以外の光送信モジュール１０の構成要素及び特徴に変更はない。

【0036】

上述の通り、変形例に係る透明板１９は楔型の断面を有する。即ち、入射面１９ａ及び出射面１９ｂの延長面は、角度（ウェッジ角、頂角）θ_ｗをもって互いに交差し、入射面１９ａ及び出射面１９ｂは楔型の断面の輪郭の一部を構成する。

【0037】

図３に示す例と同じく、変形例においても、入射面１９ａは、入射面１９ａによって鏡面反射されたレーザ光１の反射光３がＰＤ１３に到達するよう、レンズ１２を通過したレーザ光１の光路１ａに対して傾斜している。出射面１９ｂは、光路１ａに対する入射面の傾斜角に加え、入射面１９ａに対して角度θ_ｗで更に傾斜している。従って、レーザ光１の入射角θ_１が同じでも、変形例に係るレーザ光１の入射角θ_２は、透明板１９が平行平板であるときの入射角θ_２よりも大きい。その結果、変形例におけるレーザ光１の反射光３ｂは、同例における反射光３ａと平行にならず、進行するに連れて反射光３ａとの距離が大きくなる。つまり、ＰＤ１３で受光される迷光の強度を低減させることができる。

【0038】

角度θｗが下記の式４を満たす場合、迷光である反射光３ｂがＰＤ１３に入射しなくなる。つまり、レーザ光１由来の迷光を排除できる。
θｗ≧ｔａｎ^－１（Ｗ／Ｌ）／（２×ｎ） ・・・（式４）
ここで、ｗは反射光３ａの直径ｗ１及びＰＤ１３の直径ｗ２のうちの小さい方の直径である。ｎは透明板１９の屈折率である。Ｌは透明板１９（入射面１９ａ）からＰＤ１３までの距離である。なお、反射光３ａと反射光３ｂの間の距離ｓは、下記の式５で表される。
ｓ＝Ｌ×ｔａｎ（２×ｎ×θｗ） ・・・（式５）

【0039】

図７は、レーザ光１の分岐比の波長依存性を示すグラフである。図７中、点線は角度θｗが０、即ち、透明板１９が平行平板であるときの波長に対する分岐比の変化、実線は角度θｗが３．５°のときの波長に対する分岐比の変化を示す。これらの数値解析では、ＰＤ１３の直径ｗ２を０．３ｍｍ、透明板１９の屈折率を１．５０４、距離Ｌを１．６６ｍｍと想定している。この図に示すように、角度θｗが式４を満たす値に設定されることによって、ＰＤ１３が受光するレーザ光１（即ち反射光３ａ）の強度の波長依存性が低減される。即ち、様々な波長に対する反射光３ａの安定な監視が更に促進される。

【符号の説明】

【0040】

１ レーザ光
１ａ 光路
２ 透過光
３ 反射光
１０ 光送信モジュール
１１ レーザダイオード（発光素子）
１２ レンズ
１２ａ 入射面
１２ｂ 出射面
１３ フォトダイオード（受光素子）
１３ａ 受光面
１４ パッケージ
１５ ステム
１６ キャップ
１７ リードピン
１８ キャリア
１９ 透明板
１９ａ 入射面
１９ｂ 出射面
２０ 集光レンズ
２１ 光ファイバ
２１ａ 端部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】