JP4067048B2

JP4067048B2 - 光波長変換モジュール

Info

Publication number: JP4067048B2
Application number: JP2004137878A
Authority: JP
Inventors: 薫吉野; 雅生遊部; 好毅西田; 弘宮澤; 英志久保田; 修忠永; 博之鈴木; 潤司湯本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2024-05-06
Also published as: JP2005321485A

Description

本発明は、光波長変換モジュールに関し、より詳細には、光通信、計測の分野で用いられるレーザ光源の波長を変換するための光波長変換モジュールに関する。

近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換素子の実用化が求められている。従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の擬似位相整合型の光波長変換モジュールの構成を示す（例えば、非特許文献１参照）。図１（ａ）は上から見た断面図であり、図１（ｂ）は横から見た断面図である。光波長変換モジュールは、パッケージ６の内部に、金属製サブマウント４に載置された光波長変換素子１と、光波長変換素子１と熱的に結合されたペルチェ素子５ａ，５ｂと、光ファイバ２ａ，２ｂを光波長変換素子１に結合するためのガラスブロック３ａ，３ｂおよび光ファイバ２ａ，２ｂを固定する半田気密封止部８ａ，８ｂとを備えている。パッケージ６は、気密蓋７により封止されている。

波長λ_Ａの信号光Ａを出力するレーザダイオードモジュールと、波長λ_Ｂの制御光Ｂを出力するレーザダイオードモジュールとを備え、信号光Ａと制御光Ｂとを合波して光波長変換モジュールに入力する波長合成器モジュールを光ファイバ２ａに接続することにより、レーザ光源を構成することができる。光波長変換モジュールに入力された光は、光波長変換素子１の非線形光学効果により、変換光Ｃへ変換され、光ファイバ２ｂに出力される。

変換光Ｃの強度は、信号光Ａと制御光Ｂの強度の積に比例するので、制御光Βを一定強度にしておけば、信号光Ａから変換光Ｃへ波長のみを変換することができる。例えば、λ_Ａ＝１．５５μｍ、λ_Ｂ＝０．７７μｍのとき、差周波としてλ_Ｃ＝１．５３μｍが得られる。また、λ_Ａ＝１．４８μｍ、λ_Ｂ＝０．９８μｍのとき、和周波としてλ_Ｃ＝０．５９μｍが得られる。

光波長変換素子１は、通常、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に、周期的な分極反転構造が作製され、光導波路９が形成されている。光波長変換モジュールは、同じニオブ酸リチウム素子を使った高速光変調器モジュールとほぼ同じ直線的なモジュール構造で作製されてきた。すなわち、光ファイバ２ａ，２ｂは、光波長変換素子１の両端面に、光学的に結合されている。ただし、温度制御用のペルチェ素子５ａ，５ｂを内蔵している点は異なる。光波長変換素子１は温度依存性が大きいため、最適な変換効率が得られるように、素子の温度を制御する必要があるからである。

特開２００３−１４０２１４号公報宮澤他、「１．５５μｍ帯ＱＰＭ−ＬＮモジュールの波長変換特性」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-4-26,・2002

ニオブ酸リチウム素子の光波長変換効率は、長さの２乗に比例するので、光波長変換素子の素子長は長いほど効率が良い。また、生産効率を上げるために、一枚の基板から多数の光波長変換素子を切り出す必要があるので、光波長変換素子は、通常、極端に細長い形状となる。ただし、あまり長くしすぎると、製造工程におけるハンドリングが難しく、光波長変換素子は割れやすくなり、製造上の歩留りが低下する。さらに長くなればなるほど、光導波路の一部にボイドや欠けが発生する確率が増し、歩留りの低下を招くという問題があった。

また、両端に光ファイバを接続することから、光波長変換モジュールの長大化は避けられず、これに加えてモジュール両端での光ファイバの余長処理も必要となる。従って、光波長変換モジュールのために広い実装面積を必要とするという問題があった。

さらに、極端に細長い形状の光波長変換素子に適合するような細長いペルチェ素子は市販されていない。光波長変換素子全体を均一に温度制御するためには、図１に示したように複数のペルチェ素子を配置する必要があり、コストアップの要因となる。

このような問題に対して、光デバイスに用いられる石英ガラス導波路では、ドライエッチング技術により導波路コアを加工するので、自由に曲線導波路を形成することができる。従って、Ｕ字型導波路を形成してデバイスの小型化を図ることができる。しかしながら、ニオブ酸リチウムは、石英ガラスよりも硬いので、ドライエッチング技術では必要な精度の導波路を形成することが難しい。ダイシングソーによる精密研削加工が実用化されており、高い生産効率でリッジ型導波路を形成することができるが、直線導波路しか形成できなので、光波長変換素子の素子長が長くなっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、歩留まりと実装効率とを向上させた光波長変換モジュールを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、リッジ構造を有する２＋Ｍ（Ｍは１以上の整数）本の光導波路が形成された光波長変換素子と、前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の一方の端面に設けられ、前記２＋Ｍ本の光導波路のうち一対の光導波路を接続するガラス導波路ブロックと、前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の他方の端面に設けられ、前記信号光と前記制御光とを入力する入力光ファイバおよび前記変換光を出力する出力光ファイバと、前記光導波路とを光学的に結合する結合手段とを備え、前記入力光ファイバと前記出力光ファイバとは、前記ガラス導波路ブロックで接続された一対の光導波路で結合されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、リッジ構造を有する２Ｎ＋Ｍ（Ｍは１以上の整数）本の光導波路が形成された光波長変換素子と、前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の一方の端面に設けられ、前記２Ｎ＋Ｍ本の光導波路のうちＮ対の光導波路を接続する第１のガラス導波路ブロックと、前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の他方の端面に設けられ、前記２Ｎ＋Ｍ本の光導波路のうちＮ−１対の光導波路を接続する第２のガラス導波路ブロックと、前記他方の端面に設けられ、前記信号光と前記制御光とを入力する入力光ファイバおよび前記変換光を出力する出力光ファイバと、前記光導波路とを光学的に結合する結合手段とを備え、前記入力光ファイバと前記出力光ファイバとは、前記第１および第２のガラス導波路ブロックで接続されたＮ対の光導波路で結合されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、リッジ構造を有する複数の光導波路が形成された光波長変換素子に、任意の一対またはＮ対の光導波路を接続するガラス導波路ブロックを結合し、入力光ファイバと出力光ファイバとを一対またはＮ対の光導波路で結合したので、光波長変換素子の歩留りの低下を抑えることができると共に、光波長変換モジュールの実装面積を縮小することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２に、本発明の第１の実施形態にかかる光波長変換モジュールを示す。図２（ａ）は上から見た断面図であり、図２（ｂ）は横から見た断面図である。光波長変換素子モジュールは、パッケージ１６の内部に、金属製サブマウント１４に載置された光波長変換素子１１と、光波長変換素子１１と熱的に結合されたペルチェ素子１５と、結合手段に相当し光ファイバ１２ａ，１２ｂを光波長変換素子１１に結合するためのガラスブロック１３および光ファイバ１２ａ，１２ｂを固定する半田気密封止部１８とを備えている。パッケージ１６は、気密蓋１７により封止されている。

光波長変換素子１１は、ニオブ酸リチウム基板を使用し、リッジ型の光導波路１９が形成されている。光導波路１９は、図３に示したように、ダイシングソーにより形成されたハイメサのリッジ構造を有する直線導波路である。本実施形態では、４本の光導波路１９が形成されており、光路反転手段であるＵ字型の導波路が形成されたガラス導波路ブロック２０ａ，２０ｂにより、光導波路１９が１本の導波路となるように接続されている。ガラス導波路ブロック２０は、ガラス基板、Ｓｉなどの半導体基板に、Ｕ字型のガラス導波路を形成したものである。

光波長変換素子１１と光ファイバ１２とを、ガラスブロック１３を介して接続する部分の詳細を図３に示す。光導波路１９の端部が露出する光波長変換素子１１の端面は、斜めに切断した上で、入力波長と出力波長のそれぞれに対応した反射防止膜２１を設け、光波長変換素子１１と光ファイバ１２との屈折率差による端面反射と結合損失とを減少させる。光波長変換素子１１とガラス導波路ブロック２０との接続も、同じ構成による。

光ファイバと光波長変換素子、光波長変換素子とガラス導波路ブロックの接続、すなわち調心、接着などの工程は、従来のガラス導波路を用いた光カプラ、光合分波器などの製造技術を適用することができる。

第１の実施形態によれば、光波長変換素子１１の長手方向の長さを短くすることができるので、歩留りの低下を抑えることができると共に、光波長変換素子１１の長さの４倍の素子長を得ることができる。また、光ファイバの接続をモジュールの片端で行うため、光ファイバの余長処理に伴う実装面積を縮小することができる。さらに、市販のペルチェ素子を適用することができ、極端に細長い形状の光波長変換素子と比較して、温度の均一性が良くなるので、温度制御が容易である。

図４に、光波長変換素子の光導波路の一部に欠陥があった場合のガラス導波路ブロックの接続方法を示す。光波長変換素子３１は、５本の光導波路３４が形成されており、Ｕ字型の導波路が形成されたガラス導波路ブロック３５ａ，３５ｂにより、光導波路３４が１本の導波路となるように接続されている。光波長変換素子３１によれば、光導波路３４の１本に欠陥があった場合でも、ガラス導波路ブロック３５ａ，３５ｂを交換することにより、光導波路３４が１本の導波路となるように構成することができる。

光波長変換素子に、往復の光導波路（２Ｎ本）に対して予備の導波路を１またはＭ本形成し、任意の導波路を接続する複数のガラス導波路ブロックを用意すれば、２Ｎ＋１または２Ｎ＋Ｍの冗長構成をとることができる。

本実施形態においては、光ファイバと光波長変換素子とを、ガラスブロックを介して直接接続しているが、レンズを用いた光学系により接続するようにしてもよい。

図５に、本発明の第２の実施形態にかかる光波長変換モジュールを示す。図５（ａ）は上から見た断面図であり、図５（ｂ）は横から見た断面図である。光波長変換素子モジュールは、パッケージ４６の内部に、金属製サブマウント４４に載置された光波長変換素子４１と、光波長変換素子４１と熱的に結合されたペルチェ素子４５と、結合手段に相当し光ファイバ４２ａ，４２ｂを光波長変換素子４１に結合するためのガラスブロック４３および光ファイバ４２ａ，４２ｂを固定する半田気密封止部４８とを備えている。パッケージ４６は、気密蓋４７により封止されている。

光波長変換素子４１は、ニオブ酸リチウム基板を使用し、ダイシングソーによりハイメサのリッジ構造を有する光導波路４９が形成されている。本実施形態では、２本の光導波路４９ａ，４９ｂが形成されており、光路反転手段であるニオブ酸リチウムのミラーブロック５０により、光導波路４９が１本の導波路となるように接続されている。光波長変換素子４１とガラスブロック４３を介して光ファイバ１２と接続する方法は、図３に示した方法と同じである。

ミラーブロック５０は、光波長変換素子４１との接続面と対向する面に、金属または誘電体多層膜を蒸着したミラー５０ａを有している。光波長変換素子４１とミラーブロック５０との接続面は、光波長変換素子４１の長手方向に対して斜めに切断されている。この接続面に沿って、ミラーブロック５０を移動させて、光導波路４９ａと光導波路４９ｂとの光学的結合を得る。

ミラーブロック５０は、ニオブ酸リチウムに限らず、信号光と制御光に対して透明であれば、光学ガラスを使用してもよい。このとき、光波長変換素子４１とミラーブロック５０の屈折率差による反射損失を避けるために、光波長変換素子４１とミラーブロック５０との接続面には、反射防止膜を設ける。

第２の実施形態によれば、光波長変換素子４１の長手方向の長さを短くすることができるので、歩留りの低下を抑えることができると共に、光波長変換素子４１の長さの２倍の素子長を得ることができる。また、光ファイバの接続をモジュールの片端で行うため、光ファイバの余長処理に伴う実装面積を縮小することができる。さらに、市販のペルチェ素子を適用することができ、極端に細長い形状の光波長変換素子と比較して、温度の均一性が良くなるので、温度制御が容易である。

なお、光波長変換素子の光導波路を奇数本（２Ｎ＋１本）とすると、光ファイバの接続をモジュールの両端で行うため、光ファイバの余長処理に伴う実装面積を縮小することができない。しかしながら、光波長変換素子の長手方向の長さを短くし、２Ｎ＋１倍の素子長を得ることができるという効果を依然有している。レーザ光源を構成する際に、実装上の要請かあれば、このような光波長変換モジュールを適用することもできる。

従来の擬似位相整合型の光波長変換モジュールを示す構成図である。本発明の第１の実施形態にかかる光波長変換モジュールを示す構成図である。リッジ型導波路と光ファイバの接続方法を示す図である。光波長変換素子の光導波路の一部に欠陥があった場合のガラス導波路ブロックの接続方法を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかる光波長変換モジュールを示す構成図である。

符号の説明

１，１１，３１，４１光波長変換素子
２，１２，３２，４２光ファイバ
３，１３，３３，４３ガラスブロック
４，１４，４４サブマウント
５，１５，４５ペルチェ素子
６，１６，４６パッケージ
７，１７，４７気密蓋
８，１８，４８半田気密封止部
９，１９，３４，４９光導波路
２０，３５ガラス導波路ブロック
２１反射防止膜
５０ミラーブロック

Claims

互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、
リッジ構造を有する２＋Ｍ（Ｍは１以上の整数）本の光導波路が形成された光波長変換素子と、
前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の一方の端面に設けられ、前記２＋Ｍ本の光導波路のうち一対の光導波路を接続するガラス導波路ブロックと、
前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の他方の端面に設けられ、前記信号光と前記制御光とを入力する入力光ファイバおよび前記変換光を出力する出力光ファイバと、前記光導波路とを光学的に結合する結合手段とを備え、
前記入力光ファイバと前記出力光ファイバとは、前記ガラス導波路ブロックで接続された一対の光導波路で結合されていることを特徴とする光波長変換モジュール。
互いに波長の異なる信号光と制御光とを入力し、前記信号光を異なる波長の変換光に変換する光波長変換モジュールにおいて、
リッジ構造を有する２Ｎ＋Ｍ（Ｍは１以上の整数）本の光導波路が形成された光波長変換素子と、
前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の一方の端面に設けられ、前記２Ｎ＋Ｍ本の光導波路のうちＮ対の光導波路を接続する第１のガラス導波路ブロックと、
前記光導波路の端部が露出する前記光波長変換素子の他方の端面に設けられ、前記２Ｎ＋Ｍ本の光導波路のうちＮ−１対の光導波路を接続する第２のガラス導波路ブロックと、
前記他方の端面に設けられ、前記信号光と前記制御光とを入力する入力光ファイバおよび前記変換光を出力する出力光ファイバと、前記光導波路とを光学的に結合する結合手段とを備え、
前記入力光ファイバと前記出力光ファイバとは、前記第１および第２のガラス導波路ブロックで接続されたＮ対の光導波路で結合されていることを特徴とする光波長変換モジュール。