JP6349792B2 - 光送信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光送信装置に関する。
近年、光通信システムでは、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)を用いた光変調器(以下「LN光変調器」という)に代えて、例えばインジウムリン(InP)等の半導体を用いた光変調器(以下「半導体光変調器」という)の開発が進められている。半導体変調器は、LN変調器と比較して、電解印加効率を大きくすることが可能であることから、低駆動電圧化、小型化が容易である。つまり、半導体光変調器は、LN光変調器と比較して、小型化が容易である。
ただし、半導体導波路は、光の閉じ込めが、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)導波路と比較して、強いため、その導波モードプロファイルは非常に小さくなる。このため、半導体光変調器から出力される信号光が光導波路から後段側の光ファイバに向けて出射される場合に、信号光の拡がり角が、LN光変調器から出力される信号光の拡がり角と比較して、大きくなる。信号光の拡がり角の増大は、信号光どうしの干渉を発生させる恐れがあり、好ましくない。
そこで、光導波路と、信号光を光ファイバへ集光する集光レンズとの間に、信号光をコリメートするコリメートレンズを配置する手法が提案されている。この手法では、コリメートレンズにより信号光がコリメートされることによって、信号光の拡がり角の増大が抑えられ、結果として、信号光どうしの干渉が回避される。
特開2007−201939号公報
しかしながら、上述した従来の手法のように、光導波路と集光レンズとの間にコリメートレンズを配置するだけでは、光導波路と光ファイバとの結合効率を向上することが困難である。
すなわち、信号光の拡がり角の増大が抑えられた場合でも、半導体光変調器を用いた光送信装置では、光導波路が形成された基板の幅方向に沿った信号光の横断面の径よりも基板の厚み方向に沿った信号光の縦断面の径が大きくなることが知られている。言い換えると、半導体光変調器を用いた光送信装置では、光導波路から光ファイバへ向けて出射される信号光の進行方向から見た信号光の断面形状が、基板の厚み方向に沿った長軸と、基板の幅方向に沿った短軸とを有する楕円形状となる。このため、集光レンズにより光ファイバへ集光される信号光の断面形状も楕円形状に維持される。すると、断面形状が円形状である光ファイバに対して、断面形状が楕円形状である信号光が入射されることによって、光の損失が発生する恐れがある。つまり、半導体光変調器が用いられる場合には、光導波路から出射された信号光の断面形状と光ファイバの断面形状とが不一致であるため、光導波路と光ファイバとの間の結合効率が低下する恐れがある。
これに対して、光導波路から出射された信号光の断面形状を光ファイバの断面形状に整形するためのプリズムをコリメートレンズと集光レンズとの間に別途配置する構造が考えられる。
しかしながら、プリズムを別途配置する構造では、プリズムの分だけ、部品点数が増えるので、構成が複雑化し、かつ、装置が大型化する恐れがある。
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、小型かつ簡易な構成で光導波路と光ファイバとの結合効率を向上することができる光送信装置を提供することを目的とする。
本願の開示する光送信装置は、一つの態様において、基板と、光ファイバと、第1のレンズと、第2のレンズとを備えた。基板には、光導波路が形成された。第1のレンズは、前記光導波路から前記光ファイバへ向けて出射された、前記基板の幅方向に沿った横断面の径である横断面径よりも前記基板の厚み方向に沿った縦断面の径である縦断面径が大きい光を、前記縦断面径を前記横断面径に近づける状態で透過させる。第2のレンズは、前記第1のレンズにより透過される前記光の進行方向に沿って前記第1のレンズよりも前記光ファイバに近い位置であって、前記縦断面径と前記横断面径とが一致する位置に設けられ、該光を前記光ファイバへ集光する。
本願の開示する光送信装置の一つの態様によれば、小型かつ簡易な構成で光導波路と光ファイバとの結合効率を向上することができるという効果を奏する。
図1は、光導波路から光ファイバへ向けて出射される信号光の形状の一例を示す図である。 図2は、プリズムを用いた信号光の整形の一例を示す図である。 図3は、実施例1に係る光送信装置の構成例を示す図である。 図4は、図3に示した基板、導波路、コリメートレンズ、PBC、集光レンズ及び光ファイバを基板の厚み方向から見た平面図である。 図5は、図3に示した基板、導波路、コリメートレンズ、PBC、集光レンズ及び光ファイバを基板の幅方向から見た側面図である。 図6は、実施例1における集光レンズの配置位置を説明するための図である。 図7は、実施例1における光導波路の幅と、信号光の形状との関係を示す図である。
以下に、本願の開示する光送信装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により開示技術が限定されるものではない。
まず、図1及び図2を参照して、実施例1に係る光送信装置の前提となる技術について説明する。図1は、光導波路から光ファイバへ向けて出射される信号光の形状の一例を示す図である。図1において、基板113の長手方向に沿ってx軸が定義され、基板113の幅方向に沿ってy軸が定義され、基板113の厚み方向にそってz軸が定義されるものとする。
図1に示すように、半導体光変調器を用いた光送信装置では、基板113上の光導波路116から図示しない光ファイバへ向けて信号光が出射される場合、y軸方向に沿った信号光の横断面の径D1よりもz軸方向に沿った信号光の縦断面の径D2が大きくなる。言い換えると、半導体光変調器を用いた光送信装置では、光導波路116から光ファイバへ向けて出射される信号光の進行方向から見た信号光の断面形状が、z軸方向に沿った長軸と、y軸方向に沿った短軸とを有する楕円形状となる。一方で、光ファイバの断面形状は、一般的に円形状である。すると、光導波路116から出射された信号光の断面形状と光ファイバの断面形状とが不一致となる。このため、光導波路116と光ファイバとの間の結合効率が低下する恐れがある。
これに対して、光導波路116から出射された信号光の断面形状を光ファイバの断面形状に整形するためのプリズムを用いる構造が考えられる。図2は、プリズムを用いた信号光の整形の一例を示す図である。図2に示す例では、基板113上の光導波路116の後段側に配置されたコリメートレンズ117と、信号光を光ファイバ122へ集光する集光レンズ121との間に、アナモルフィックプリズム131が配置される。光導波路116から光ファイバ122へ向けて出射される信号光は、コリメートレンズ117によりコリメートされる。コリメートレンズ117によりコリメートされた信号光は、アナモルフィックプリズム131へ入力される。アナモルフィックプリズム131は、コリメートレンズ117から入力される信号光の断面形状を光ファイバ122の断面形状に整形する。詳細には、アナモルフィックプリズム131は、z軸方向に沿った信号光の縦断面の径D2がy軸方向に沿った信号光の横断面の径D1に近づくように信号光を屈折させる形状を有し、この形状を用いて信号光の断面形状を整形する。アナモルフィックプリズム131により整形された信号光は、他の光学系を介して集光レンズ121へ入力され、集光レンズ121を介して光ファイバ122へ集光される。
しかしながら、アナモルフィックプリズム131を別途配置する上述の構造では、アナモルフィックプリズム131の分だけ、部品点数が増えるので、構成が複雑化し、かつ、装置が大型化する恐れがある。そこで、実施例1に係る光送信装置では、アナモルフィックプリズム131を用いることなく、光導波路116と光ファイバとの間の結合効率を向上することを目的として、コリメートレンズの配置位置及び集光レンズの配置位置等を工夫した。
次に、図3を用いて、実施例1に係る光送信装置10の構成例について説明する。図3は、実施例1に係る光送信装置の構成例を示す図である。
図3に示す光送信装置10は、光ファイバ11と、レンズ12と、基板13と、光分岐路14と、光変調器15−1,15−2と、光導波路16−1〜16−4とを有する。また、光送信装置10は、コリメートレンズ17−1〜17−4と、保持部材18とを有する。また、光送信装置10は、波長板19と、PBC20と、集光レンズ21と、光ファイバ22とを有する。また、光送信装置10は、PD23−1,23−2と、配置部材24とを有する。
なお、図1において、基板13の長手方向に沿ってx軸が定義され、基板13の幅方向に沿ってy軸が定義され、基板13の厚み方向にそってz軸が定義されるものとする。また、基板13の長手方向に沿ってコリメートレンズ17−1〜17−4とは反対側がx軸の正方向であるものとする。また、基板13の幅方向に沿って光変調器15−2とは反対側がy軸の正方向であるものとする。また、基板13の厚み方向に沿って、光分岐路14、光変調器15−1,15−2及び光導波路16−1〜16−4が設けられる基板13の表面側がz軸の正方向であるものとする。
光ファイバ11は、図示しない光源が発する光をレンズ12へ向けて出力する。レンズ12は、光ファイバ11から出力される光を集光する。基板13は、光分岐路14と、光変調器15−1,15−2と、光導波路16−1〜16−4とが設けられる基板である。
光分岐路14は、レンズ12により集光される光をカプラ等を用いて2つの光に分岐し、分岐により得られた2つの光のうち一方の光を光変調器15−1へ出力し、他方の光を光変調器15−2へ出力する。
光変調器15−1,15−2は、基板13の幅方向、すなわち、y軸方向に沿って並列に設けられる。光変調器15−1,15−2は、例えば、インジウムリン(InP)等の半導体を用いた光変調器である。このうち、光変調器15−1は、光分岐路14から入力される一方の光を電気信号を用いて変調する。光変調器15−1により光が変調されることによって、2つの信号光が得られる。2つの信号光のうち一方の信号光が信号光であり、他方の信号光が信号光を監視するためのモニタ光である。光変調器15−1は、信号光を光導波路16−1へ出力し、モニタ光を光導波路16−2へ出力する。
光変調器15−2は、光分岐路14から入力される他方の光を電気信号を用いて変調する。光変調器15−2により光が変調されることによって、2つの信号光が得られる。2つの信号光のうち一方の光が信号光であり、他方の信号光が信号光を監視するためのモニタ光である。光変調器15−2は、信号光を光導波路16−3へ出力し、モニタ光を光導波路16−4へ出力する。
光導波路16−1〜16−4は、基板13上に形成され、信号光とモニタ光とを導波する。具体的には、光導波路16−1〜16−4は、信号光を導波する光導波路16−1,16−3が、モニタ光を導波する光導波路16−2,16−4によりy軸方向に沿って挟まれるように、基板13上に形成される。そして、光導波路16−1は、光変調器15−1から入力される信号光をx軸の負方向へ導波する。また、光導波路16−2は、光変調器15−1から入力されるモニタ光をx軸の負方向へ導波する。また、光導波路16−3は、光変調器15−2から入力される信号光をx軸の負方向へ導波する。また、光導波路16−4は、光変調器15−2から入力されるモニタ光をx軸の負方向へ導波する。なお、信号光を導波する光導波路16−1,16−3の形状の詳細については、後述する。
コリメートレンズ17−1〜17−4は、例えばシリコンにより形成され、曲率が同一であるコリメートレンズである。コリメートレンズ17−1〜17−4は、光導波路16−1〜16−4から出射される信号光及びモニタ光を透過させる。具体的には、コリメートレンズ17−1は、光導波路16−1から出射される信号光を透過させる。コリメートレンズ17−2は、光導波路16−2から出射されるモニタ光を透過させる。コリメートレンズ17−3は、光導波路16−3から出射される信号光を透過させる。コリメートレンズ17−4は、光導波路116−4から出射されるモニタ光を透過させる。なお、信号光を透過させるコリメートレンズ17−1,17−3の配置位置及び形状の詳細については、後述する。
保持部材18は、例えば、シリコンにより形成され、コリメートレンズ17−1〜17−4をy軸方向に沿ってアレイ状に保持する。詳細には、保持部材18は、光導波路16−1〜16−4のうち少なくとも一つの光導波路の光軸からコリメートレンズ17−1〜17−4のうち少なくとも一つのコリメートレンズの光軸が所定方向にずれた状態でコリメートレンズ17−1〜17−4を保持する。保持部材18は、このような状態で複数のコリメートレンズ17−1〜17−4を保持することにより、コリメートレンズ17−1及びコリメートレンズ17−3の各々から信号光をPBC20に向けて出射する。また、保持部材18は、コリメートレンズ17−2及びコリメートレンズ17−4の各々からモニタ光をPD23−1,23−2に向けて出射する。
波長板19は、コリメートレンズ17−3から出射される信号光の偏波に対して、コリメートレンズ17−1から出射される信号光の偏波を90度回転する。PBC20は、偏波合成素子であり、波長板19により偏波が回転された信号光と、コリメートレンズ17−3から出射される信号光とを偏波合成し、信号光が偏波合成されて得られる偏波多重信号光を集光レンズ21へ出射する。
集光レンズ21は、PBC20から出射される偏波多重信号光を光ファイバ22へ集光する。なお、集光レンズ21の配置位置の詳細については、後述する。
光ファイバ22は、集光レンズ21により集光される偏波多重信号光を後段側へ伝送する。
PD23−1,23−2は、受光素子であり、コリメートレンズ17−2及びコリメートレンズ17−4の各々から出射されるモニタ光をそれぞれ受光する。配置部材24は、y軸方向に沿ったPBC20の一側面側にPD23−1,23−2を配置する。
ここで、図4〜図7を用いて、コリメートレンズ17−1,17−3の配置位置及び形状の詳細、集光レンズ21の配置位置の詳細、並びに、光導波路16−1,16−3の形状の詳細について説明する。図4は、図3に示した基板、導波路、コリメートレンズ、PBC、集光レンズ及び光ファイバを基板の厚み方向から見た平面図である。図5は、図3に示した基板、導波路、コリメートレンズ、PBC、集光レンズ及び光ファイバを基板の幅方向から見た側面図である。なお、図4及び図5において、説明の便宜上、保持部材18や波長板19等の他の光学部品は、省略されている。また、以下の説明では、コリメートレンズ17−1,17−3を特に区別しない場合には、これらを「コリメートレンズ17」と表記し、光導波路16−1,16−3を特に区別しない場合には、これらを「光導波路16」と表記するものとする。
図4及び図5に示すように、コリメートレンズ17は、信号光が出射される光導波路16の出射端からx軸の負方向に沿って所定の距離L1だけ離れた位置に配置され、光導波路16から光ファイバ22へ向けて出射された信号光を透過させる。光導波路16から光ファイバ22へ向けて出射された信号光は、y軸方向に沿った横断面の径(以下「横断面径」という)よりもz軸方向に沿った縦断面の径(以下「縦断面径」という)が大きい形状を有する。すなわち、光導波路16から光ファイバ22へ向けて出射された信号光の進行方向から見た信号光の断面形状は、図1に示した信号光の断面形状と同様に、楕円形状となる。これに対して、コリメートレンズ17は、光導波路16の出射端からx軸の負方向に沿って所定の距離L1だけ離されることによって、光導波路16から光ファイバ22へ向けて出射された光を、縦断面径D2を横断面径D1に近づける状態で透過させる。ここで、距離L1は、コリメートレンズ17により信号光をコリメートするための距離よりも大きい距離であり、コリメートレンズ17の曲率等に応じて適宜選択される。コリメートレンズ17は、第1のレンズの一例である。
また、y軸方向から見たコリメートレンズ17の表面のうち信号光が出射される出射面の曲率と、z軸方向から見たコリメートレンズ17の表面のうち信号光が出射される出射面の曲率とは、同一である。すなわち、コリメートレンズ17では、y軸方向から見た形状とz軸方向から見た形状とが同一である。
集光レンズ21は、コリメートレンズ17により透過される信号光の進行方向に沿った位置であって、信号光の縦断面径D2と横断面径D1とが一致する位置に配置され、信号光を光ファイバ22へ集光する。図4及び図5に示す例では、集光レンズ21は、コリメートレンズ17からx軸の負方向に沿って所定の距離L2だけ離れた位置に配置されることによって、縦断面径D2と横断面径D1とが一致する信号光を光ファイバ22へ集光する。集光レンズ21は、第2のレンズの一例である。
図6は、実施例1における集光レンズの配置位置を説明するための図である。図6において、横軸は、コリメートレンズ17からの距離L2を示し、縦軸は、コリメートレンズ17により透過される信号光の径であるモードフィールド径(MFD:Mode Field Diameter)を示す。また、図6において、グラフ501は、コリメートレンズ17により透過される信号光の横断面径D1を示し、グラフ502は、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2を示す。
図6に例示するように、コリメートレンズ17により信号光が透過されることによって、縦断面径D2が横断面径D1に近づく。そして、縦断面径D2と、横断面径D1とは、コリメートレンズ17からx軸の負方向に沿って所定の距離だけ離れた位置Paにおいて、一致する。その後、縦断面径D2と、横断面径D1とは、互いに離反し、x軸の負方向に沿って位置Paよりも光ファイバ22に近い位置Pbにおいて、再び一致する。この場合、集光レンズ21は、位置Pa又は位置Pbに配置される。すると、縦断面径D2と横断面径D1とが一致する信号光、言い換えると、進行方向から見て円形状の信号光が、集光レンズ21を介して光ファイバ22へ集光される。一方で、光ファイバ22の断面形状は、一般的に円形状である。すなわち、位置Pa又は位置Pbに集光レンズ21が配置されることによって、集光レンズ21を介して光ファイバ22へ集光される信号光の断面形状と、光ファイバ22の断面形状とが一致する。
図4及び図5の説明に戻って、y軸方向に沿った光導波路16の幅は、信号光が出射される光導波路16の出射端に近づくほど、拡がっている。換言すれば、y軸方向に沿った光導波路16の幅は、光導波路16の出射端において、最大となる。ここで、光導波路16の出射端の幅が大きいほど、光導波路16における信号光のモードフィールドの圧縮が緩和される。すると、光導波路16から出射され、かつ、コリメートレンズ17に入射される信号光の拡がり角が減少する。すると、コリメートレンズ17により透過される信号光のビームウエストの位置がコリメートレンズ17側に近づく。その結果、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2と横断面径D1とが一致する位置がコリメートレンズ17側に近づく。
図7は、実施例1における光導波路の幅と、信号光の形状との関係を示す図である。図7において、横軸は、コリメートレンズ17からの距離L2を示し、縦軸は、コリメートレンズ17により透過される信号光の径であるモードフィールド径(MFD)を示す。また、図7において、グラフ601は、コリメートレンズ17により透過される信号光の横断面径D1を示し、グラフ602〜604は、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2を示す。また、グラフ602は、y軸方向に沿った光導波路16の幅が一定である場合の信号光の縦断面径D2を示す。また、グラフ603,604は、y軸方向に沿った光導波路16の幅が、光導波路16の出射端に近づくほど、拡がっている場合の信号光の縦断面径D2を示す。なお、グラフ603における光導波路16の出射端の幅と比較して、グラフ604における光導波路16の出射端の幅が大きいものとする。
図7に示すように、y軸方向に沿った光導波路16の幅が一定である場合、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2と横断面径D1とは、位置P1において、一致する。一方、y軸方向に沿った光導波路16の幅が、光導波路16の出射端に近づくほど、拡がっている場合、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2と横断面径D1とは、位置P1よりもコリメートレンズ17に近い位置P2において、一致する。さらに、光導波路16の出射端の幅が拡大されると、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2と横断面径D1とは、位置P2よりもコリメートレンズ17に近い位置P3において、一致する。このように、y軸方向に沿った光導波路16の幅が、光導波路16の出射端に近づくほど、拡がっている場合、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2と横断面径D1とが一致する位置がコリメートレンズ17側に近づく。
上述したように、実施例1の光送信装置10において、コリメートレンズ17は、光導波路16から光ファイバ22へ向けて出射された光を、縦断面径を横断面径に近づける状態で透過させる。そして、集光レンズ21は、コリメートレンズ17により透過される信号光の進行方向に沿って信号光の縦断面径と横断面径とが一致する位置に配置され、縦断面径と横断面径とが一致した信号光を光ファイバ22へ集光する。このため、実施例1によれば、光導波路16から出射され、集光レンズ21を介して光ファイバ22へ集光される信号光の断面形状を、光ファイバ22の断面形状である円形状に一致させることができる。結果として、実施例1によれば、アモルフィックプリズムを別途配置する構造と比較して、小型かつ簡易な構成で光導波路16と光ファイバ22との結合効率を向上することができる。
また、実施例1の光送信装置10において、基板13の幅方向から見たコリメートレンズ17の表面のうち信号光が出射される出射面の曲率と、基板13の厚み方向から見たコリメートレンズ17の表面のうち信号光が出射される出射面の曲率とは、同一である。このため、実施例1によれば、アモルフィックプリズムと比較して、形状が簡素であるコリメートレンズ17と、集光レンズ21とを用いて光導波路16と光ファイバ22との結合効率を向上することができる。
また、実施例1の光送信装置10において、保持部材18は、コリメートレンズ17−1〜17−4を基板13の幅方向に沿ってアレイ状に保持する。このため、実施例1によれば、複数のコリメートレンズを基板の幅方向に沿って個別に保持する構造と比較して、基板の幅方向に沿った装置の大型化を抑制することができる。
また、実施例1の光送信装置10において、保持部材18と、コリメートレンズ17−1〜17−4とは、シリコンにより形成される。このため、実施例1によれば、エッチング等を用いて、保持部材18と、コリメートレンズ17−1〜17−4とを一体的に形成することができるとともに、コリメートレンズ17−1〜17−4を薄肉化することができる。
また、実施例1の光送信装置10において、基板13の幅方向に沿った光導波路16の幅は、信号光が出射される光導波路16の出射端に近づくほど、拡がっている。このため、実施例1によれば、コリメートレンズ17により透過される信号光の縦断面径D2と横断面径D1とが一致する位置をコリメートレンズ17側に近づけることができる。したがって、実施例1によれば、集光レンズ21の配置位置となる、縦断面径D2と横断面径D1とが一致する位置をコリメートレンズ17側に近づけることができる。その結果、実施例1によれば、装置の小型化をさらに促進することができる。
10 光送信装置
11 光ファイバ
12 レンズ
13 基板
14 光分岐路
15−1、15−2 光変調器
16−1〜16−4 光導波路
17−1〜17−4 コリメートレンズ
18 保持部材
19 波長板
20 PBC
21 集光レンズ
22 光ファイバ
24 配置部材

Claims (5)

  1. 光導波路が形成された基板と、
    光ファイバと、
    前記光導波路から前記光ファイバへ向けて出射された、前記基板の幅方向に沿った横断面の径である横断面径よりも前記基板の厚み方向に沿った縦断面の径である縦断面径が大きい光を、前記縦断面径を前記横断面径に近づける状態で透過させる第1のレンズと、
    前記第1のレンズにより透過される前記光の進行方向に沿った位置であって、該光の前記縦断面径と前記横断面径とが一致する位置に配置され、該光を前記光ファイバへ集光する第2のレンズと
    を備え
    前記第1のレンズは、コリメートレンズであり、前記光導波路の出射端から前記基板の長手方向に沿って、前記光導波路から出射された前記光をコリメートするための第1の距離よりも大きい第2の距離だけ離れた位置に配置されることによって、前記光を、前記縦断面径を前記横断面径に近づける状態で透過させ、
    前記第2の距離は、前記コリメートレンズの曲率に応じて選択されることを特徴とする光送信装置。
  2. 前記基板の幅方向から見た前記第1のレンズの表面のうち前記光が出射される出射面の曲率と、前記基板の厚み方向から見た前記第1のレンズの表面のうち前記光が出射される出射面の曲率とは、同一であることを特徴とする請求項1に記載の光送信装置。
  3. 複数の前記第1のレンズを前記基板の幅方向に沿ってアレイ状に保持する保持部材をさらに備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光送信装置。
  4. 前記保持部材と、複数の前記第1のレンズとは、シリコンにより形成されることを特徴とする請求項3に記載の光送信装置。
  5. 前記基板の幅方向に沿った前記光導波路の幅は、前記光が出射される前記光導波路の出射端に近づくほど、拡がっていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の光送信装置。
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