JP5301875B2 - 可変光減衰器および可変光減衰器搭載光送受信器 - Google Patents

Description

本発明は、可変光減衰器および可変光減衰器搭載光送受信器に関する。

可変光減衰器（Variable Optical Attenuator；ＶＯＡ）は、中・長距離ネットワーク用の光受信器として用いられているアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が有する、入力光パワーが大きくなるとエラーが急激に増加するといったオーバーロード問題に対する対策部品として、また、光アンプからの出力レベル調整用の部品などとして用いられている。このようにして用いられる可変光減衰器には、小型化、ｍｓオーダーの高速動作、波長無依存といった機能が要求される。小型の可変光減衰器としては、メムス（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）素子を用いたもの（以下、ＭＥＭＳ型）が挙げられる。ＭＥＭＳ型の可変光減衰器としては、大きく分けてシャッターのような動きを利用するタイプ（例えば、非特許文献１参照。以下、シャッター型という）と、角度可変を利用するタイプ（例えば、非特許文献２参照。以下、角度可変型という）とが挙げられる。

Cornel Marxer、Patrick Griss、Nicolaas F. de Rooij、"A Variable Optical Attenuator Based on Silicon Micromechanics"、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、VOL. 11、No. 2、1999年2月、p.233-235 Keiji Isamoto、Kazuya Kato、Atsushi Morosawa、Changho Chong、Hiroyuki Fujita、Hiroshi Toshiyoshi、"A 5-V Operated MEMS Variable Optical Attenuator by SOI Bulk Micromachining"、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS、VOL, 10、NO. 3、2004年5/6月、p.570-578

シャッター型の可変光減衰器では、利点として波長依存性がないため入射光の波長に対してフィードバック制御が不要となる点、挿入損失が無視できる点、構成が比較的簡易である点が挙げられる。しかし、シャッターで光路を遮ることができる程度の可動量を得るには、梁の部分を長くする必要があり、梁を長くとると共振周波数が下がるため３０ｍｓ以下の動作時間を実現することが難しいという問題がある。また、単純な構造のシャッターでは偏波依存性が出やすいという問題もある。

一方、角度可変型の可変光減衰器としては、ミラーの反射を利用した反射型が一般的である。角度可変型のＭＥＭＳでは、ｍｓオーダーの高速動作が可能である。また、ミラーの反射率を上げることで挿入損失も１．０ｄＢ以下を実現することが可能である。しかし、一般的な構造では偏波依存性が生じるという問題がある。また、反射させた光を再度ファイバ、ＰＤなどに結合させる必要があるため、実装時のアライメントが難しいという問題もある。

また、角度可変を利用するタイプとしては、透過型も考えられる。この場合、反射型と比較すると偏波依存性が少ない、基本的に直線状に光学部品を配置すればよいため実装が簡易であるなど優位な点も多い。しかし、ＭＥＭＳによって変更可能な角度は±１０度程度が限界であり、厚さも１５μｍ−２０μｍ程度が現実的であるため、可変光減衰器として減衰量を大きくとることが難しいという問題が考えられた。

可変光減衰器に求められる性能としては、高速動作、波長無依存、小型、簡易な実装が重要な点として挙げられる。しかし、従来技術では、これらすべての要素を満たす技術というものがなかった。そこで、本発明の目的は上記の性能（高速動作、波長無依存、小型、簡易な実装）をすべて満たす可変光減衰器を実現することにある。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る可変光減衰器は、光減衰手段を備え、入力光の強度に対して出力光の強度を減衰させるように構成された可変光減衰器であって、
前記光減衰手段を、光を透過する透光部材、前記透光部材の角度を変化させる角度可変手段、及び、前記透光部材の入射面及び出射面に設けられ前記入射面に入射される光と前記出射面から出射される光の間の光路ずれを拡張させる光路ずれ拡張手段から構成した可変光減衰器において、
前記透光部材が光の入射面及び出射面を相互に平行な平面から構成した平行平板であり、
前記光路ずれ拡張手段が前記透光部材の入射面に設けられた第１の高反射フィルタ及び前記透光部材の出射面に設けられた第２の高反射フィルタであり、
前記入射面に設けられた前記第１の高反射フィルタと前記出射面に設けられた前記第２の高反射フィルタが、前記透光部材の中心から相対する方向へずれるように設けられるとともに、前記第１の高反射フィルタが前記透光部材の中心からずれた方向と反対側で前記第１の高反射フィルタが設けられていない前記入射面の部分に入射した光が、前記第１の高反射フィルタと前記第２の高反射フィルタによって前記透光部材の内部で複数回反射された後に、前記第２の高反射フィルタが前記透光部材の中心からずれた方向と反対側で前記第２の高反射フィルタが設けられていない前記出射面の部分から出射するように前記透光部材を固定したときの角度と前記光のビームプロファイルとによって位置を設定され、
前記透光部材としての平行平板は、前記角度可変手段としての機能を兼ねた、少なくとも一つの半導体材料もしくはＳｉＯ₂からなる角度可変メムス素子から構成され、
且つ、前記角度可変メムス素子は円形状である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る可変光減衰器は、第１の発明において、二本の光ファイバと、少なくとも一方の前記光ファイバの端面に対向配置されるレンズと、前記レンズと他方の前記光ファイバの端面の間に配設された少なくとも一つの前記光減衰手段とを有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る可変光減衰器は、第１の発明に係る可変光減衰器を搭載した可変光減衰器搭載光受信器であって、一本の光ファイバと、一つのフォトディテクタと、少なくとも前記光ファイバの出射端面に対向配置されるレンズと、前記レンズの出射端面と前記フォトディテクタの間に配設された少なくとも一つの前記光減衰手段とを有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る可変光減衰器は、第１の発明に記載された可変光減衰器を搭載した可変光減衰器搭載光送信器であって、一つの光ファイバと、一つのレーザダイオードと、少なくとも前記レーザダイオードの出射端面に対向配置されるレンズと、前記レンズの出射端面と前記出力側の光ファイバの入射端面の間に配設された少なくとも一つの前記光減衰手段とを有することを特徴とするにおいて、一つの光ファイバと、一つのレーザダイオードと、少なくとも前記レーザダイオードの出射端面に対向配置されるレンズと、前記レンズの出射端面と前記出力側の光ファイバの入射端面の間に配設された少なくとも一つの前記光減衰手段とを有することを特徴とする。

上述した本発明に係る可変光減衰器によれば、装置を小型化することができるとともに、高速動作を実現することができる。

以下に図１乃至図３を用いて本発明の具体的な実施形態を例にして説明する。図１は本実施形態に係る可変光減衰器の内部構造の一例を模式的に表す図、図２乃至図４は本実施形態に係る可変光減衰器による作用効果を説明する図である。なお、本実施形態は、本発明の効果を示す一つの例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行い得ることはいうまでもない。

本実施形態では、例えば、二本の光ファイバと、少なくとも一つのレンズと、透光部材、角度可変手段、光路ずれ拡張手段を有する少なくとも一つの光減衰手段を用い、角度可変手段を用いて透光部材に対する光の入射角度を変化させることで可変光減衰器を実現する。

一例としては可変光減衰器を、図１に示すように、パッケージ１の対向する側壁１ａ，１ｂに固定される光ファイバ２，３と、パッケージ１内に位置する光ファイバ２，３の端面にそれぞれ対向配置されるレンズ４，５と、これら二つのレンズ４，５の間に設けられた光減衰手段としての角度可変機構付き平行平板６とから構成する。

角度可変機構付き平行平板６は、透光部材としての平行平板９とこの平行平板９の両面９ａ，９ｂに光路ずれ拡張手段として設けられた高反射フィルタ７，８とから構成する。角度可変手段としては、平行平板９を、例えば角度可変手段としての機能を兼ねたＭＥＭＳ（以下、角度可変ＭＥＭＳという）から構成する、もしくは、図示しない角度可変手段としてのピエゾバイモルフ素子（以下、バイモルフ素子）を用いる。このような構成により、電界を印加することで平行平板９の角度を±１０度の範囲で動かすことができる。

ここで、高反射フィルタは、金属、又は、屈折率の異なる半導体材料もしくは誘電体材料を交互に積層した多層膜反射鏡とし、また、ＭＥＭＳ素子、バイモルフ素子はそれぞれ少なくとも一つの半導体材料もしくはＳｉＯ₂からなるものとする。

なお、高反射フィルタを金属とする場合、Ａｌ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕのうちの少なくとも１種類以上の元素からなる金属を用いると好適である。また、高反射フィルタを屈折率の異なる半導体材料もしくは誘電体材料を交互に積層した多層膜反射鏡とする場合、Ｓｉ、もしくはＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂの中の少なくとも２種類以上の元素からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、もしくはＳｉＯ₂もしくはＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅，ＭｇＦ₂，ＭｇＯのいずれかからなる誘電体材料を用いると好適である。

また、ＭＥＭＳ素子、バイモルフ素子を半導体材料から構成する場合、Ｓｉ、もしくはＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂの中の少なくとも２種類以上の元素からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いると好適である。

以下、本実施形態の作用効果について説明する。図２に通常の構造の透光部材として平行平板を用いた場合の光路の例、図３に図２の平行平板の両面に高反射フィルタを設けた場合の光路の例を示す。図３に示すように、透光部材としての平行平板９の両面に光路ずれ拡張手段としての高反射フィルタ７，８を施した場合、図２に示すような平行平板９のみを用いた場合に比較して光路ずれを大きくすることができることがわかる。

例えば、平行平板の角度を１０度傾けた場合、通常の構造では平行平板の厚さが１５μｍ程度と薄いため、光路ずれは３μｍ程度と小さく、光減衰量を大きくとることができない。これに対し、図３に示すように平行平板９の両面に高反射フィルタ７，８を設ければ、平行平板９に入射した光が高反射フィルタ７，８によって平行平板９の内部で複数回反射されることとなり、光路のずれを大きくとることができる。

また、角度可変機構付き平行平板６に代えて、凸面板付き角度可変ＭＥＭＳ、もしくは一方の面が凸面形状になっている角度可変ＭＥＭＳを用いても同様の作用効果を得られる。

図４に凸面付き平行平板を用いた場合の光路の例を示す。図２に示す入射面と出射面とが平行に形成された通常の構造の平行平板９を用いる場合に比較して、図４に示す凸面板付き平行平板６を用いた場合、出射光の光路が入射光の光路に対して平行でなくなるため、凸面板付き平行平板と出力側の光ファイバとの距離を離すことで光路ずれを大きくとることが可能となることがわかる。なお、凸面板付き平行平板６としては、平行平板９の一方の面に、片側が平板、他方の側が凸面状に形成された半導体、もしくは誘電体の凸面板１０を固着したもの、又は、平行平板の片側を凸面状に加工したもの等を用いれば良い。

この光路ずれによって光ファイバとのカップリング効率が変化するため、図１に示すような構成とすることにより可変光減衰器として機能する。光路ずれを利用した構成であるため、出力側の光ファイバをフォトディテクタ（以下、ＰＤ）に変えた場合や、入力側の光ファイバをレーザダイオード（以下、ＬＤ）に置き換えた場合も可変光減衰器として機能することはいうまでもない。

このように、本発明を用いることで、小型で、高速動作可能な可変光減衰器を実現することができ、他の機能デバイスとワンパッケージ化することが可能となるため、光通信用モジュールの経済化と機能向上が可能となる。

図５乃至図９を用いて本発明の実施例について説明する。図５は本実施例に係る可変光減衰器の内部構造を示す図、図６（ａ）は角度可変ＭＥＭＳを光ファイバの光路に対して４５度の傾きで固定した場合のパッケージ内の構成と光路を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）に比較して角度可変ＭＥＭＳを１０度傾けた場合のパッケージ内の構成と光路を示す図、図７は角度可変ＭＥＭＳの光の入出射面の正面図、図８は本実施例に係る可変光減衰器の組み立て工程を説明するための説明図、図９は応答速度の測定を説明するための説明図、図１０は高反射フィルタの好適な位置を説明するための図である。

図５に示すように、本実施例において可変光減衰器は、主に、パッケージ１０１の対向する側壁１０１ａ，１０１ｂをそれぞれ貫通するように設けられる第一の光ファイバ１０２、第二の光ファイバ１０３と、パッケージ１０１内で光ファイバ１０２，１０３の端面にそれぞれ対向配置された第一のレンズ１０４、第二のレンズ１０５と、第一のレンズ１０４と第二のレンズ１０５の間に配置された光減衰手段としての角度可変機構付き平行平板１０６とから構成されている。

光ファイバ１０２，１０３はそれぞれの光路が平行に且つ間隔を有するように配置されている。また、角度可変機構付き平行平板１０６は、透光部材及び角度可変手段としての角度可変ＭＥＭＳ１０９と、光路ずれ拡張手段である高反射フィルタとして角度可変ＭＥＭＳ１０９の光の入出射面１０９ａ，１０９ｂに蒸着されるパターンニングされた金１０７，１０８とから構成されている。

なお、角度可変ＭＥＭＳ１０９は、入出射面の大きさが０．６ｍｍ角、可動範囲が±１０度、厚さが１５μｍのシリコン製とした。また、角度可変ＭＥＭＳ１０９は入出射面が光ファイバ１０２，１０３の光路に対して例えば４５度傾斜するように固定されているものとする。

［動作原理］
次に、図６及び図７に基づいて可変光減衰器が角度可変ＭＥＭＳ１０９によって実現できる原理について説明する。以下、角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きというときの基準はＭＥＭＳ１２をはじめに固定した状態、即ち、光路に対して入射面を４５度傾斜させた状態とする。なお、本実施例では、角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きが０度のとき、入射側の光ファイバから出射した光と、光の出射側の光ファイバとのカップリングロスが最小となるように各部品が搭載されているものとする。

本実施例において、角度可変ＭＥＭＳ１０９の光の入出射面にパターンニングした金１０７，１０８は半径３０μｍとした。また、図７に示すように、一方の金１０７はその中心が角度可変ＭＥＭＳ１０９の光の入出射面の中心から図中に示すＸ軸方向に対して＋１５μｍずれるように設け、他方の金１０８はその中心が角度可変ＭＥＭＳ１０９の光の入出射面の中心からＸ軸方向に対して−１５μｍずれるように設けた。

以下に、角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きが０度である場合と、１０度である場合との比較を行う。図６に示すように、例えば第一の光ファイバ１０２を入射側、第二の光ファイバ１０３を出射側とすると、入射側の光ファイバ１０２から出射された光は、第一のレンズ１０４を通り、角度可変ＭＥＭＳ１０９に入射する。このとき、角度可変ＭＥＭＳ１０９に入射した光は、この角度可変ＭＥＭＳ１０９の入出射面において高反射フィルタ１０８、高反射フィルタ１０７により交互に複数回反射されて角度可変ＭＥＭＳ１０９内を図中Ｘ軸方向へ移動して、入出射面１０９ｂから出射し、レンズ１０５を介して出射側の光ファイバ１０３に入射する。

まず、本実施例では、入射側の光ファイバ１０２から出射した光は、角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きが０度のときに出射側の光ファイバ１０３とのカップリングロスが最小となるように各部品が搭載されているため、図６（ａ）に示すように角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きが０である場合、光ファイバ１０３に入射する光のロスは最小となる。

次に、図６（ｂ）に示すように角度可変ＭＥＭＳ１０９を１０度傾けて、光ファイバ１０２から出射される光が角度可変ＭＥＭＳ１０９に対して５５度の角度で入射するようにした場合、換言すると、角度可変ＭＥＭＳ１０９の入出射面を光ファイバ１０２，１０３を進行する光路に直交する方向に対して３５度の傾きで固定した場合について考える。図６（ｂ）に示すように、角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きが１０度のとき、角度可変ＭＥＭＳ１０９から出射される光は角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きが０度の場合に比較してＸ軸方向の＋方向へのずれが拡大し、結合損失が大きくなる。

このことから、角度可変ＭＥＭＳ１０９と高反射フィルタ１０７，１０８を用いることにより、可変光減衰器の機能が実現されることがわかる。

［組み立て工程］
次に、図８を用いて本実施例の可変光減衰器の組み立て工程について説明する。以下、一例として、第一の光ファイバ１０２を入射側、第二の光ファイバ１０３を出射側とした場合について説明する。

本実施例に係る可変光減衰器の組み立てを行う場合は、まず、パッケージ１０１に入射側の光ファイバ１０２をＹＡＧ溶接で固定する。光ファイバ１０２の入射端にはレーザ１１０を設ける。次に、入射側のレンズ１０４をその中心がパッケージ１０１のファイバ取り付け用開口部の中心とほぼ一直線上に位置するように±１５μｍの精度でパッケージ１０１内に搭載し、固定する。

続いて、角度可変ＭＥＭＳ１０９の入出射面を光ファイバ１０２，１０３の光路に対して４５度傾けた状態で、レーザ１１０の光を入射側の光ファイバ１０２から出射する一方、角度可変ＭＥＭＳ１０９の出射側には光パワーメータ１１１をおいて、パワーが最大となるように角度可変ＭＥＭＳ１０９の位置を調整し、固定する。このとき、角度の実装精度は±５度の精度とする。そして、角度可変ＭＥＭＳ１０９とパッケージ１０１とをワイヤボンディングで結線する。

最後に、レーザ１１０の光を入射側の光ファイバ１０２から出射し、出射側の光ファイバ１０３に光パワーメータ１１１をつけた状態で、出射側のレンズ１０５と出射側の光ファイバ１０３の位置を光パワーメータ１１１が最大値を示す位置に調整したのち、それぞれＹＡＧ溶接によってパッケージ１０１に固定する。角度可変ＭＥＭＳ１０９には該角度可変ＭＥＭＳ１０９に電界を印加する可変電圧源１１２を接続する。
以上の工程で、図５に示すような可変光減衰器が完成する。

［可変光減衰器の特性］
さらに、図８に示す実験系において得られる本実施例に係る可変光減衰器の特性について説明する。本実施例ではレーザ１１０は波長１５３０ｎｍの分布帰還型レーザ（以下、ＤＦＢレーザ）を用いた。また、レーザ１１０の出力は０ｄＢｍに固定した。

まず、角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きが０度としたときの光パワーを測定すると、−０．８ｄＢｍであった。よって、挿入損失は０．８ｄＢとわかる。次に、角度可変ＭＥＭＳ１０９の傾きを１０度としたときの光パワーを測定すると、−１３ｄＢｍであった。本実施例では角度可変ＭＥＭＳ１０９の可動範囲を±１０度としたため、本実施例による可変減衰量は１２．２ｄＢとわかった。また、光パワー一定の状態で波長を１５３０±２０ｎｍ変化させたときの可変減衰量を測定した結果、波長１５３０ｎｍのときと比較してほぼ変化はなかった。

また、応答速度の測定を行うため図９のような実験系を組んだ。図９に示すように、第二の光ファイバ１０３の出射端には光サンプリングオシロスコープ１１３が、角度可変ＭＥＭＳ１０９には信号発生器１１４が接続されている。その他の構成は図８に示し上述したものと同様であり、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例において、信号発生器１１４から出力される波形は、周波数は任意とし、角度可変ＭＥＭＳ１０９が０度から１２度まで変化する程度の振幅電圧をもつ波形とした。角度可変ＭＥＭＳ１０９にかける信号に対して、１ｋＨｚ程度までは光サンプリングオシロスコープ１１３から読み取れる光パワーの変動する周波数が信号発生器１１４に設定した周波数とほぼ同じであり、角度可変ＭＥＭＳ１０９が信号発生器１１４から出力される信号周波数に追従できていることがわかったが、より高い周波数信号を角度可変ＭＥＭＳ１０９に入力すると光出力のパワーは変化せずほぼ一定になった。よって、本実施例での最高動作周波数は１ｋＨｚ以上とわかった。

なお、上述した本実施例においては、高反射フィルタ（光路ずれ拡張手段）としての金１０７，１０８を円形状として説明したが、金１０７，１０８は円形以外、例えば矩形状であってもよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行い得ることはいうまでもない。

また、本実施例において、金１０７，１０８は中心が角度可変ＭＥＭＳ１０９の光の入出射面の中心から相対する方向へそれぞれ１５μｍずれるように設ける例を示したが、本発明はこれに限らず、角度可変ＭＥＭＳ１０９を固定したときの角度と入射光のビームプロファイルによって決定される。

詳述すると、図１０に示すように、角度可変機構付き平行平板１０９にあっては、入射面に光が入射する位置とこの入射面に施される高反射フィルタ１０７との距離が広いと、入射面に入射し、出射面に施された高反射フィルタ１０８によって反射された光が、入射面に施された高反射フィルタ１０７に反射されることなく入射面から出射してしまう。

また、図１１に示すように、角度可変機構付き平行平板１０９の入射面の光が入射する位置から入射面に施される高反射フィルタ１０７までの距離が狭い場合、角度可変機構付き平行平板１０９に入射する光の一部が高反射フィルタ１０７又は１０８によって遮断され、図１２（ａ）に示すようにビームの一部（例えば破線の左側部分）が欠けてしまう可能性が考えられる。

又は、出射面の光が出射する位置から出射面に施される高反射フィルタ１０８までの距離が狭い場合、角度可変機構付き平行平板１０９から出射する光の一部が高反射フィルタ１０７又は１０８によって遮断され、図１２（ｂ）に示すようにビームの一部（例えば、破線の右側部分）が欠けてしまう可能性が考えられる。

したがって、図１０に示すような状態になることを回避するように、角度可変ＭＥＭＳ１０９を固定したときの角度と入射光のビームプロファイルによって高反射フィルタの位置を設定するものとする。

参考例１

図１３乃至図１５を用いて本発明の参考例１を説明する。図１３は本参考例に係る可変光減衰器搭載光受信器の内部構造を示す図、図１４は本参考例に係る可変光減衰器搭載光受信器の組み立て工程を説明するための説明図、図１５は応答速度の測定を説明するための説明図である。

図１３に示すように、本参考例において可変光減衰器搭載光受信器は、主に、パッケージ２０１の側壁２０１ａに固定された光ファイバ２０２、パッケージ２０１の側壁２０１ａに対向する側壁２０１ｂにＰＤキャリア２０３を介して固定されるフォトディテクタ２０４、パッケージ２０１内で光ファイバ２０２の端面に対向配置されたレンズ２０５、レンズ２０５とフォトディテクタ２０４との間に設けられた光減衰手段としての角度可変機構付き平行平板２０６から構成されている。

角度可変機構付き平行平板２０６は、透光部材としてのエタロンからなる平行平板２０９、平行平板２０９の入出射面に蒸着された光路ずれ拡張手段としての高反射フィルタである多層膜反射鏡２０７，２０８、平行平板２０９の角度を調整する角度可変手段としてのバイモルフ素子２１０から構成されている。

多層膜反射鏡２０７，２０８は、入射側の反射率を９９．５％、出射側の反射率を９９．５％としたＳｉ／ＳｉＯ₂からなり、ともに半径１００μｍであって、入射側の多層膜反射鏡２０８の中心が平行平板２０９の中心から図１３中Ｘ’軸方向に＋１５μｍずれているのに対し、出射側の多層膜反射鏡２０９の中心は平行平板２０９の中心から図１３中Ｘ’軸方向に−１５μｍずれているものとする。

また、平行平板２０９は光ファイバ２０２の光路に対して入出射面が４５度傾いた状態となるように設置されており、平行平板２０９の大きさは０．６ｍｍ角、厚さ１５μｍのシリコン製とした。また、バイモルフの可動範囲は±１０度、フォトディテクタ２０４の直径は２５μｍであった。

［動作原理］
本参考例の可変光減衰器は上述した実施例の可変光減衰器に比較して光減衰手段の角度を可変にする機構がバイモルフ素子かＭＥＭＳ素子か、高反射フィルタが多層膜反射鏡か金かが異なるのみであり、可変光減衰器がバイモルフ素子２１０と平行平板２０９とによって実現できる原理については実施例と同様であるので、詳しい説明は省略する。

［組み立て工程］
次に、図１４を用いて本参考例の可変光減衰器搭載光受信器の組み立て工程について説明する。

本参考例に係る可変光減衰器搭載光受信器の組み立てを行う場合は、まず、バイモルフ素子２１０に可変電圧源２１３から電界を印加して平行平板２０９が入射光の光路に対して４５度傾いた状態となるように調整し、この位置で固定する。このとき、角度の実装精度は±５度の精度とする。

次に、パッケージ２０１のファイバ取り付け口からレーザ光を照射した状態で、平行平板２０９の出射側に図示しない光パワーメータをおいて、パワーが最大となる位置でフォトディテクタ２０４を固定する。このとき、取り付け制度は±０．３ｍｍ程度とする。そして、バイモルフ素子２１０とパッケージ２０１間、フォトディテクタ２０３とパッケージ２０１間をワイヤボンディングで結線する。

最後に、光ファイバ２０２の入射端にレーザ２１１を接続した状態で、フォトディテクタ２０３の端子２１１にデジタルマルチメータ２１２を接続し、光パワーメータが最大値を示す位置にレンズ２０５と光ファイバ２０２をＹＡＧ溶接で固定する。
以上の工程で、図１４に示すような可変光減衰器搭載光受信器が完成する。

［可変光減衰器の特性］
さらに、図１４に示す実験系において得られる本参考例に係る可変光減衰器の特性について説明する。
本参考例ではレーザ２１１は波長１５３０ｎｍの分布帰還型レーザ（以下、ＤＦＢレーザ）を用いた。また、レーザ２１１の出力は０ｄＢｍに固定した。以下、平行平板２０９の傾きというときの基準はバイモルフ素子２１０及び平行平板２０９をはじめに固定した角度とする。

まず、平行平板２０９の傾きが０度の場合の光パワーを測定すると、−１．５ｄＢであった。よって、挿入損失は１．５ｄＢとわかる。次に、平行平板２０９の傾きを１０度、即ち、光ファイバ２０２を進行する光の光路に対して平行平板２０９を５５度に傾けたときの光パワーを測定すると、−１８．５ｄＢであった。よって、本参考例での可変減衰量は１７ｄＢとわかった。また、光パワー一定の状態で波長を１５３０±２０ｎｍ変化させたときの可変減衰量を測定したが、１５３０ｎｍのときと比較してほぼ変化はなかった。

また、応答速度の測定を行うため、図１５に示すような実験系を組んだ。図１５に示すように、第二の光ファイバ２０３の出射端には光サンプリングオシロスコープ２１５が、角度可変ＭＥＭＳ２０９には信号発生器２１４が接続されている。その他の構成は図１９に示し上述したものと同様であり、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

このとき、信号発生器２１４から出力される波形は、周波数は任意とし、バイモルフ素子２１０が０度から１２度まで変化する程度の振幅電圧を波形とした。バイモルフ素子２１０にかける信号に対して、４００Ｈｚ程度まではオシロスコープ２１５から読み取れる光パワーの変動する周波数が信号発生器２１４に設定した周波数とほぼ同じであり、バイモルフ素子２１０が信号発生器２１４が出力する信号周波数に追従できていることがわかったが、より高い周波数信号をバイモルフ素子２１０に入力すると光出力のパワーは変化せずほぼ一定になった。よって、本参考例での最高動作周波数は４００Ｈｚ以上とわかった。

なお、本参考例では、高反射フィルタとして誘電体フィルタ２０７，２０８、受光の手段としてフォトディテクタ２０４、透光部材として平行平板２０９、角度可変手段としてバイモルフ素子２１０を用いているが、可変光減衰器としての機能はカップリング効率の変化を利用しているため、これらに代えて、高反射フィルタとして金、受光の手段として光ファイバ、透光部材及び角度可変手段として角度可変ＭＥＭＳを用いても本参考例と同様に可変光減衰器としての機能が実現できることはいうまでもない。

参考例２

図１６乃至図２０を用いて本発明の参考例２を説明する。図１６は本参考例に係る可変光減衰器の内部構造を示す図、図１７は入射光が凸面板付き平行平板に対して直交すると共に凸面板の中心を通る場合の光路を示す説明図、図１８は図１７の凸面板付き平行平板を傾斜させた場合の光路を示す説明図、図１９は本参考例に係る可変光減衰器の組み立て工程を説明するための説明図、図２０は応答速度の測定を説明するための説明図である。

図１６に示すように、本参考例において可変光減衰器は、主にパッケージ３０１の対向する側壁３０１ａ，３０１ｂをそれぞれ貫通する第一の光ファイバ３０２、第二の光ファイバ３０３と、パッケージ３０１内で光ファイバ３０２，３０３の端面にそれぞれ対向配置された第一のレンズ３０４、第二のレンズ３０５と、第一のレンズ３０４と第二のレンズ３０５の間に配置された光減衰手段としての凸面板付き平行平板３０６とから構成されている。凸面板付き平行平板３０６は、透光部材及び角度可変手段としての角度可変ＭＥＭＳ３０７と角度可変ＭＥＭＳ３０７の出射端面に設けられた光路ずれ拡大手段としての光を透過する凸面板３０８とから構成されている。

光ファイバ３０２，３０３はそれぞれの光路が平行に且つ間隔を有するように配置されている。また、角度可変ＭＥＭＳ３０７は、電界を印加することにより光ファイバ３０２又は３０３から入射される光の光路に対して角度を可変に構成されたものであり、例えば本参考例では、光の入出射面の大きさが０．６ｍｍ角、可動範囲が±１０度、厚さが１５μｍのシリコン製とした。また、角度可変ＭＥＭＳ３０７と光ファイバ３０２，３０３との間の距離は１ｍｍ、凸面板３０８の半径は５０μｍ、曲率半径は１００μｍとした。

［動作原理］
可変光減衰器が角度可変ＭＥＭＳ３０７と凸面板３０８によって実現できる原理について説明する。なお、本参考例においては、光ファイバ３０２から出射された光が、光路ずれがない場合に出射側の光ファイバ３０３とのカップリングロスが最小になるように各部品が搭載されているものとする。図１７に凸面板付き平行平板３０８を傾けていない状態の光路とパッケージ３０１内の構成、図１８に凸面板付き平行平板３０８を図１５に示す状態に対して１０度傾けた場合の光路とパッケージ３０１内の構成を示す。

まず、凸面付き平行平板３０６の傾きが０である場合、即ち、光ファイバ３０２の光路に対して入射面が直交するように設置されている場合の光路について、第一の光ファイバ３０２を入射側、第二の光ファイバ３０３を出射側として説明する。図１７に示すように、入射側の光ファイバ３０２から出射された光はレンズ３０４を通り、凸面板付き平行平板３０６に入射する。このとき、凸面板付き平行平板３０６の傾きは０であり、光ファイバ３０２から出射された光は凸面板３０８の中心を通るため、光路の傾きは変化せず入射時とほぼ平行に出射される。よって、光路ずれなく光ファイバ３０３に光が入射するのでロスが最小の状態となる。

次に、凸面板付き平行平板３０６を１０度傾けた場合について説明する。図１８に示すように、入射側の光ファイバ３０２から出射された光はレンズ３０４を通り、凸面板付き平行平板３０６に入射する。このとき、凸面板付き平行平板３０６の傾きが１０度であるため、光ファイバ３０２から出射され角度可変ＭＥＭＳ３０７を伝播する光は、図中に示すＸ軸方向に対してマイナス側に傾いた状態となる。

角度可変ＭＥＭＳ３０７に入射した光は凸面板３０８から出射するが、出射点が位置する凸面板３０８の部分は角度可変ＭＥＭＳ３０７とは傾きが異なるため、傾きは入射時とは平行にならず、Ｘ軸方向に対してマイナス側に傾いたままで光ファイバ３０３側へ出射される。これにより、出射側の光ファイバ３０３に対して光路ずれが生じ、光ファイバ３０３とのカップリングロスが増大するため、光パワーが減衰する。

さらに、角度可変ＭＥＭＳ３０７の傾きを制御することで光路ずれ量を調整することが可能であり、カップリングロスを任意に変更することができるため、角度可変ＭＥＭＳ３０７と、凸面板３０８とから構成される凸面付き板付き平行平板３０６を用いることによって可変光減衰器機能を実現することができる。

また、光路のずれを任意に調整できることから、逆に実装時などに光ファイバの位置ずれなどが生じた場合に光路を調整し、カップリングロスを最小にする機能も実現可能であることはいうまでもない。

［組み立て工程］
次に、図１９を用いて本参考例の可変光減衰器の組み立て工程について、第一の光ファイバ３０２を入射側、第二の光ファイバ３０３を出射側として説明する。本参考例に係る可変光減衰器を組み立てる場合、まず、パッケージ３０１に入射側の光ファイバ３０２をＹＡＧ溶接で固定する。次に、入射側のレンズ３０４及び凸面板付き平行平板３０８をそれぞれの中心がパッケージ３０１のファイバ取り付け用開口部の中心とほぼ一直線上に位置するように±１５μｍの精度でパッケージ３０１内に搭載し、固定する。

続いて、凸面板付き平行平板３０６とパッケージ３０１とをワイヤボンディングで結線する。最後に、レーザ３０９の光を入射側の光ファイバ３０２から出射させ、出射側の光ファイバ３０３に光パワーメータ３１０をつけた状態で、出射側のレンズ３０５と出射側の光ファイバ３０３の位置を光パワーメータ３１１が最大値を示す位置に調整したのち、それぞれＹＡＧ溶接によってパッケージ３０１に固定する。
以上の工程で、図１９に示すような可変光減衰器が完成する。

［可変光減衰器の特性］
さらに、図１９に示す実験系において得られる本参考例に係る可変光減衰器の特性について説明する。本参考例ではレーザ３０９は波長１５３０ｎｍの分布帰還型レーザ（以下、ＤＦＢレーザ）を用いた。また、レーザ３０９の出力は０ｄＢｍに固定した。

まず、角度可変ＭＥＭＳ３０７の傾きが０度としたときの光パワーを測定すると、−０．６ｄＢｍであった。よって、挿入損失は０．６ｄＢとわかる。次に、角度可変ＭＥＭＳ３０７の傾きを１０度としたときの光パワーを測定すると、−２０ｄＢｍであった。本参考例では角度可変ＭＥＭＳ３０７の可動範囲を±１０度としたため、本参考例による可変減衰量は１９．４ｄＢとわかった。また、光パワー一定の状態で波長を１５３０±２０ｎｍ変化させたときの可変減衰量を測定した結果、波長１５３０ｎｍのときと比較してほぼ変化はなかった。

また、応答速度の測定を行うため図２０のような実験系を組んだ。図２０に示すように、第二の光ファイバ３０３の出射端には光サンプリングオシロスコープ３１２が、角度可変ＭＥＭＳ３０７には信号発生器３１３が接続されている。その他の構成は図１９に示し上述したものと同様であり、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

このとき、信号発生器３１３から出力される波形は、周波数は任意とし、角度可変ＭＥＭＳ３０７が０度から１０度まで変化する程度の振幅電圧をもつ波形とした。角度可変ＭＥＭＳ３０７にかける信号に対して、１ｋＨｚ程度までは光サンプリングオシロスコープ３１２から読み取れる光パワーの変動する周波数が信号発生器３１３に設定した周波数とほぼ同じであり、角度可変ＭＥＭＳ３０７が信号発生器３１３からでた信号周波数に追従できていることがわかったが、より高い周波数信号を角度可変ＭＥＭＳ３０７に入力すると光出力のパワーは変化せずほぼ一定になった。よって、本参考例での最高動作周波数は１ｋＨｚ以上とわかった。

なお、上述した実施例及び参考例２では二つのレンズ、参考例１では一つのレンズを用いる例を示したが、本発明においてはレンズは少なくとも一つ用いれば効果を奏する。ただし、二つのレンズを用いれば光ファイバへの結合効率が増加するので出力光の強度が増加するという効果がある。

本発明は、可変光減衰器および可変光減衰器搭載光送受信器に適用可能である。

本発明の実施形態に係る可変光減衰器の一例を示す構成図である。 通常の構造の透光部材として平行平板を用いた場合の光路の例を示す説明図である。 図２の平行平板の両面に高反射フィルタを設けた場合の光路の例を示す説明図である。 凸面付き平行平板を用いた場合の光路の例を示す説明図である。 本発明の実施例に係る可変光減衰器を示す概略構成図である。 図６（ａ）は角度可変ＭＥＭＳを光ファイバの光路に対して４５度の傾きで固定した場合のパッケージ内の構成と光路を示す説明図、図６（ｂ）は図６（ａ）に比較して角度可変ＭＥＭＳを１０度傾けた場合のパッケージ内の構成と光路を示す説明図である。 図７（ａ）は本発明の実施例の角度可変ＭＥＭＳの入射端面の金属パターンを示す説明図、図７（ｂ）は本発明の実施例の角度可変ＭＥＭＳの出射端面の金属パターンを示す説明図である。 本発明の実施例に係る可変光減衰器の組み立て工程を説明するための説明図である。 本発明の実施例に係る可変光減衰器の応答速度の測定を説明するための説明図である。 高反射フィルタの位置と光路の関係を示す説明図である。 高反射フィルタの位置と光路の関係を示す他の説明図である。 図１２（ａ）は入射ビームが欠ける例を示す説明図、図１２（ｂ）は出射ビームが欠ける例を示す説明図である。 本発明の参考例１に係る可変光減衰器搭載光受信器を示す概略構成図である。 本発明の参考例１に係る可変光減衰器搭載光受信器の組み立て工程を説明するための説明図である。 本発明の参考例１に係る可変光減衰器の応答速度の測定を説明するための説明図である。 本発明の参考例２に係る可変光減衰器を示す概略構成図である。 入射光が凸面板付き平行平板に対して直交すると共に凸面板の中心を通る場合の光路を示す説明図である。 図１７の凸面板付き平行平板を傾斜させた場合の光路を示す説明図である。 本発明の参考例２に係る可変光減衰器の組み立て工程を説明するための説明図である。 本発明の参考例２に係る可変光減衰器の応答速度の測定を説明するための説明図である。

１，１０１，２０１，３０１ パッケージ
２，３，１０２，１０３，２０２，２０３，３０２，３０３ 光ファイバ
４，５，１０４，１０５，２０５，３０４，３０５ レンズ
６，１０６，２０６ 角度可変機構付き平行平板
７，８ 高反射フィルタ
９，２０９ 平行平板
１０７，１０８ 金
１０９，３０７ 角度可変ＭＥＭＳ
１１０，２１１，３０９ レーザ
１１１，３１０ 光パワーメータ
１１２，２１３．３１１ 可変電圧源
１１３，３１２ 光サンプリングオシロスコープ
１１４，２１４，３１３ 信号発生器
２０７，２０８ 多層膜反射鏡
２１０ バイモルフ素子
２１２ マルチメータ
３０６ 凸面板付き平行平板
３０８ 凸面板

Claims (4)

1. 光減衰手段を備え、入力光の強度に対して出力光の強度を減衰させるように構成された可変光減衰器であって、
   前記光減衰手段を、光を透過する透光部材、前記透光部材の角度を変化させる角度可変手段、及び、前記透光部材の入射面及び出射面に設けられ前記入射面に入射される光と前記出射面から出射される光の間の光路ずれを拡張させる光路ずれ拡張手段から構成した可変光減衰器において、
   前記透光部材が光の入射面及び出射面を相互に平行な平面から構成した平行平板であり、
   前記光路ずれ拡張手段が前記透光部材の入射面に設けられた第１の高反射フィルタ及び前記透光部材の出射面に設けられた第２の高反射フィルタであり、
   前記入射面に設けられた前記第１の高反射フィルタと前記出射面に設けられた前記第２の高反射フィルタが、前記透光部材の中心から相対する方向へずれるように設けられるとともに、前記第１の高反射フィルタが前記透光部材の中心からずれた方向と反対側で前記第１の高反射フィルタが設けられていない前記入射面の部分に入射した光が、前記第１の高反射フィルタと前記第２の高反射フィルタによって前記透光部材の内部で複数回反射された後に、前記第２の高反射フィルタが前記透光部材の中心からずれた方向と反対側で前記第２の高反射フィルタが設けられていない前記出射面の部分から出射するように前記透光部材を固定したときの角度と前記光のビームプロファイルとによって位置を設定され、
   前記透光部材としての平行平板は、前記角度可変手段としての機能を兼ねた、少なくとも一つの半導体材料もしくはＳｉＯ₂からなる角度可変メムス素子から構成され、
   且つ、前記角度可変メムス素子は円形状である
   ことを特徴とする可変光減衰器。
2. 請求項１に記載の可変光減衰器において、
   二本の光ファイバと、
   少なくとも一方の前記光ファイバの端面に対向配置されるレンズと、
   前記レンズと他方の前記光ファイバの端面の間に配設された少なくとも一つの前記光減衰手段と
   を有することを特徴とする可変光減衰器。
3. 請求項１に記載の可変光減衰器を搭載した可変光減衰器搭載光受信器であって、
   一本の光ファイバと、
   一つのフォトディテクタと、
   少なくとも前記光ファイバの出射端面に対向配置されるレンズと、
   前記レンズの出射端面と前記フォトディテクタの間に配設された少なくとも一つの前記光減衰手段と
   を有することを特徴とする可変光減衰器搭載光受信器。
4. 請求項１に記載の可変光減衰器を搭載した可変光減衰器搭載光送信器であって、
   一つの光ファイバと、
   一つのレーザダイオードと、
   少なくとも前記レーザダイオードの出射端面に対向配置されるレンズと、
   前記レンズの出射端面と前記出力側の光ファイバの入射端面の間に配設された少なくとも一つの前記光減衰手段と
   を有することを特徴とする可変光減衰器搭載光送信器。

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