WO2021241247A1 - 光トランシーバ - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to a bidirectional optical transmission system.
- the bidirectional optical transmission system in the 4th generation (4G) mobile network infrastructure which is currently the mainstream, is built around a single-mode optical fiber made of silica glass with a zero dispersion wavelength of 1.3 ⁇ m.
- Such optical fibers guarantee single-mode transmission in the 1.3 ⁇ m band and 1.5 ⁇ m band. Therefore, the optical transceiver used in the current infrastructure is configured by using an end face emission laser having a C band, an L band, or an E band having an oscillation wavelength of around 1.5 ⁇ m.
- the present disclosure has been made in such circumstances, and one of the exemplary purposes of that aspect is to provide a high performance optical transceiver.
- the optical transceiver is an optical transceiver capable of bidirectional communication with an optical transceiver of a communication partner via a single-mode optical fiber, and has a T band (1.1) shorter than the cutoff wavelength of the optical fiber.
- a surface emitting laser for transmission having an oscillation wavelength of ⁇ 1.2 ⁇ m
- an optical detector for reception having detection sensitivity in the T band
- a planar light wave circuit connecting an optical fiber to the surface emitting laser and the optical detector.
- VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
- VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
- the performance of optical transceivers can be improved. Since the power consumption of the surface emitting laser is very small, about 1/10 times that of the end surface emitting laser, the cooling mechanism can be simplified or omitted, which contributes to the cost reduction and miniaturization of the optical transceiver. do.
- the optical fiber has a circular cross section, and optical signals in the basic mode (LP01) and the higher-order mode (LP11) are transmitted. Then, even if the optical fiber is transmitted by converting it to only the basic mode (LP01) when transmitting the optical signal from the optical transceiver, it is converted to the higher-order mode due to the stress applied to the optical fiber or the connector connection portion. There is a possibility. Since the planar light wave circuit in the optical transceiver has a rectangular cross section, the basic mode is TEM00, and the higher-order modes are TEM01 and TEM10. In both the optical fiber and the planar light wave circuit, the electric field distribution in the basic mode has a unimodal shape, and the mode conversion between LP01 and TEM00 is most likely to occur.
- the high-order mode LP11 of the optical fiber is easily converted into the high-order modes TEM01 and TEM10 of the planar light wave circuit. Therefore, a received optical signal including not only the basic mode (TEM00) but also higher-order modes (TEM01, TEM10) may be input to the optical transceiver. Since the propagation delays of the basic mode and the higher-order mode of the optical fiber are different, if they are mixed and incident on the photodetector, it may cause waveform distortion. Therefore, the planar light wave circuit may include a mode filter that removes the high-order mode from the received light signal input via the optical fiber and supplies it to the photodetector. As a result, waveform distortion can be suppressed and high-speed communication becomes possible.
- the optical transceiver may not be provided with an isolator that removes the return light to the surface emitting laser.
- Surface emitting lasers can be designed for devices that are highly resistant to return light. Therefore, by adopting such a surface emitting laser, an isolator can be omitted, the cost of the optical transceiver can be reduced, and / or the size can be reduced.
- the conventional optical transceiver was composed of a free space optical system because it was necessary to place an isolator on the emission surface of the end face emitting laser.
- an isolator since an isolator is not required, it is possible to configure an integrated optical system instead of a free space optical system.
- the emission surface of the surface emitting laser may be bonded to the end surface of the planar light wave circuit.
- Conventional optical transceivers require a large heat sink or isolator attached to the end face emitting laser, so there was no room for applying the bonding technology, but by using the surface emitting laser, high density using the bonding technology. It can be mounted and the optical transceiver can be miniaturized.
- the optical fiber may be a single-core bidirectional fiber.
- the transmission wavelength which is the oscillation wavelength of the surface emitting laser
- the planar light wave circuit may include a first path in which one end is coupled to an optical fiber and a second path in which one end is coupled to a surface emitting laser.
- the first surface of the optical transceiver is coupled to the other end of the first path and the other end of the second path, and a photodetector is arranged on the second surface to transmit the reception wavelength and reflect the transmission wavelength.
- Further low-pass filters may be provided. This configuration does not require a directional coupler and can be configured with low loss.
- the optical fiber may be a single-core bidirectional fiber.
- the transmission wavelength which is the oscillation wavelength of the surface emitting laser, may be shorter than the reception wavelength of the received light signal input via the optical fiber.
- the planar light wave circuit may include a first path in which one end is coupled to an optical fiber and a second path in which one end is coupled to a surface emitting laser.
- the first surface is coupled to the other end of the first path and the other end of the second path, and the photodetector is arranged on the second surface to transmit the reception wavelength and reflect the transmission wavelength.
- Further high-pass filters may be provided. This configuration does not require a directional coupler and can reduce light loss.
- the optical transceiver may further include a forward monitor element that detects the output intensity of the surface emitting laser. A portion of the light guided through the second path may be supplied to the forward monitor element. As a result, the output intensity of the surface emitting laser can be feedback-controlled.
- the optical fiber may be a two-core bidirectional fiber.
- the planar light wave circuit has one end coupled to the first core of the two-core bidirectional fiber, the other end coupled to the photodetector for the first path, and one end coupled to the second core of the two-core bidirectional fiber, and others.
- a second path, the end of which is coupled to a surface emitting laser, may be provided. This configuration does not require a directional coupler and can reduce light loss.
- the first path may have a mode filter function for removing the higher-order mode of the received optical signal. As a result, waveform distortion can be suppressed and high-speed communication becomes possible.
- the first path may have a curved waveguide whose radius of curvature is defined to radiate a higher order mode of the received light signal.
- the first path has the function of a mode filter that removes the higher-order mode.
- the second path may have a mode filter function for removing the higher-order mode of the transmitted light signal. This makes it possible to suppress the higher-order mode coupled to the optical fiber on the transmitting side.
- the second path may have a curved waveguide whose radius of curvature is defined to radiate a higher order mode of the transmitted light signal.
- the second path has the function of a mode filter that removes the higher-order mode.
- the optical fiber may be a single-core bidirectional fiber.
- the oscillation wavelength of the surface emitting laser may be equal to the wavelength of the received light signal input via the optical fiber.
- the planar light wave circuit includes a 4-port directional coupler, in which an optical fiber is coupled to one of the two ports on the primary side of the directional coupler, and a photodetector and a surface emitting laser are connected to the two ports on the secondary side. It may be combined. This configuration has the advantage of eliminating the need for an optical filter, although it causes losses due to the directional coupler.
- the optical transceiver may further include a forward monitor element coupled to the other of the two ports on the primary side of the directional coupler to detect the output intensity of the surface emitting laser.
- the directional coupler may have the function of a mode filter that removes the higher-order mode of the received optical signal and supplies the basic mode of the received optical signal to the photodetector. By optimizing the length of the directional coupler, it is possible to penetrate the basic mode and eliminate the higher order mode.
- a high-performance optical filter can be realized.
- FIG. 2A is a diagram showing an optical transceiver according to the first embodiment
- FIG. 2B is a diagram showing a transmission characteristic of a low-pass filter.
- FIG. 5A is a diagram showing an optical transceiver according to the first embodiment
- FIG. 5B is a diagram showing a transmission characteristic of a high-pass filter.
- FIG. 5A is a diagram showing an optical transceiver according to the first embodiment
- FIG. 5B is a diagram showing a transmission characteristic of a high-pass filter.
- FIG. It is a perspective view of the optical transceiver of FIG.
- FIG. It is a figure which shows the optical transceiver which concerns on Example 3.
- FIG. It is a figure which shows the simulation result of the characteristic of a directional coupler.
- 10 (a) to 10 (c) are diagrams showing the simulation results of the directional coupler.
- It is a perspective view of the optical transceiver of FIG. It is a figure which shows the optical transceiver which concerns on Example 4.
- FIG. It is a figure which shows the optical transceiver which concerns on Example 5.
- FIG. It is a figure which shows the wavelength used of the optical transceiver of FIG.
- FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an optical transceiver 100 according to an embodiment.
- the optical transceiver 100 can bidirectionally communicate with the optical transceiver 100'of the communication partner via the optical fiber 2 in the single mode.
- the basic configurations of the optical transceivers 100 and 100' are substantially the same.
- As the optical fiber 2 a widely used quartz-based single-mode fiber can be used.
- the optical fiber 2 guarantees single-mode transmission in a wavelength band longer than the cutoff wavelength ⁇ c.
- the optical transceiver 100 includes an optical adapter 102, a transmitter 110, a receiver 120, a planar lightwave circuit (PLC: Planar Lightwave Circuit) 131, and a forward monitor element 116.
- PLC Planar Lightwave Circuit
- the optical transceiver 100 is connected to the optical fiber 2 via the optical adapter 102.
- the transmitter 110 includes a surface emitting laser 112 and a driver 114.
- the transmitter 110 may be modularized as a transmitter optical sub-assembly (TOSA).
- TOSA transmitter optical sub-assembly
- the surface emitting laser 112 for transmission is a VCSEL and has an oscillation wavelength of T band (1.1 to 1.2 ⁇ m) shorter than the cutoff wavelength ⁇ c of the optical fiber 2. Therefore, the wavelength of the received optical signal received from the optical transceiver 100'on the other side is also in the T band.
- the driver 114 drives the surface emitting laser 112 according to the transmission data to generate a modulated transmission light signal.
- the receiver 120 includes a photodetector 122.
- the photodetector 122 is, for example, a PIN photodiode or an APD (avalanche photodiode), has detection sensitivity in the T band, and detects a received optical signal received via the optical fiber 2.
- the receiver 120 includes a transimpedance amplifier (TIA) 124 that converts the current flowing through the photodetector 122 into a voltage signal, and serves as a received optical sub-assembly (ROSA). It may be modularized.
- TIA transimpedance amplifier
- the planar light wave circuit 131 connects the optical fiber 2, the surface emitting laser 112, and the photodetector 122. Specifically, the planar light wave circuit 131 supplies the emitted light of the surface emitting laser 112 to the optical adapter 102 as a transmitted light signal, and supplies the received light signal input to the optical adapter 102 to the photodetector 122. ..
- the forward monitor element 116 is provided to detect the output intensity of the surface emitting laser 112.
- the planar light wave circuit 131 supplies a part of the emitted light of the surface emitting laser 112 to the forward monitor element 116.
- the driver 114 of the transmitter 110 stabilizes the drive current supplied to the surface emitting laser 112 by feedback control according to the output of the forward monitor element 116.
- the output intensity can be monitored on the end face facing the emitting end face, but in the surface emitting laser, the output intensity cannot be monitored on the back surface (board) side. Therefore, by providing the forward monitor element 116, the output intensity can be monitored. The output can be stabilized.
- the optical transceiver 100 can be improved in performance by using a VCSEL which is superior to the end face emitting laser in various characteristics such as temperature stability and power consumption.
- the power consumption of the surface emitting laser is about 1/10 times smaller than that of the end surface emitting laser. Therefore, the cooling mechanism can be simplified or omitted, which contributes to cost reduction and miniaturization of the optical transceiver.
- quartz-based optical fiber 2 that has already been widely used is used, it is not necessary to newly introduce an optical fiber that guarantees single-mode transmission in the T band, so that cost increase can be suppressed. ..
- the end face emitting laser can only generate a beam having an elliptical cross section, a lens optical system is required to bond the end face emitting laser to the optical fiber 2.
- the surface emitting laser can generate a beam having a circular cross section by making the emission window (aperture) circular, so that the emitted light is coupled to the optical fiber 2 without a lens. In that case, the cost of the optical transceiver 100 can be reduced and the size can be reduced.
- a further feature of the optical transceiver 100 is that an isolator for removing the return light to the surface emitting laser 112 is not provided.
- the surface emitting laser 112 can be designed as a device having high resistance to return light. Therefore, by adopting such a surface emitting laser, an isolator can be omitted, the cost of the optical transceiver can be reduced, and the size can be reduced.
- the conventional optical transceiver was composed of a free space optical system because it was necessary to place an isolator on the emission surface of the end face emitting laser and there was a space limitation.
- an isolator since an isolator is not required, it is possible to configure the integrated optical system by using the planar light wave circuit 131. This point will be described in detail in the first to third embodiments described later.
- the planar light wave circuit 131 includes a mode filter 132.
- the mode filter 132 removes the high-order mode (TEM01, TEM10) from the received optical signal input via the optical fiber 2, and supplies the basic mode (TEM00) to the photodetector 122.
- the optical transceiver since the T band for which single mode transmission is not guaranteed is transmitted by the optical fiber 2, the optical transceiver includes not only the basic mode (TEM00) but also higher-order modes (TEM01, TEM10). Received optical signal may be input. Since the propagation delay differs between the basic mode and the higher-order mode, if they are mixed and incident on the photodetector 122, it causes waveform distortion and the transmission rate decreases. Therefore, by providing the mode filter 132 in the planar light wave circuit 131, waveform distortion can be suppressed and high-speed communication becomes possible.
- the present disclosure extends to various devices and methods grasped as the block diagram of FIG. 1 or derived from the above description, and is not limited to a specific configuration.
- more specific configuration examples and examples will be described not to narrow the scope of the present invention but to help understanding the essence and operation of the invention and to clarify them.
- FIG. 2A is a diagram showing an optical transceiver 100A according to the first embodiment.
- the optical fiber 2 is a single-core bidirectional fiber.
- the transmission wavelength ⁇ TX which is the oscillation wavelength of the surface emitting laser 112
- the optical transceiver 100B which is the communication partner of the optical transceiver 100A, the relationship of wavelength is opposite.
- the first path 134 and the second path 136 are formed on the planar light wave circuit 131.
- One end e1 of the first path 134 is coupled to the optical fiber 2 in the optical adapter 102. Further, one end e1 of the second path 136 is coupled to the surface emitting laser 112.
- the optical transceiver 100A further includes a low-pass filter 138 bonded to the end face of the planar light wave circuit 131.
- the first surface f1 of the low-pass filter 138 is coupled to the other end e2 of the first path 134 and the other end e2 of the second path 136, and the photodetector 122 is arranged on the second surface f2.
- the low-pass filter 138 transmits the reception wavelength ⁇ RX and reflects the transmission wavelength ⁇ TX.
- FIG. 2B is a diagram showing the transmission characteristics of the low-pass filter 138.
- the second path 136 is folded back at one side of the planar light wave circuit 131.
- the optical transceiver 100A further includes a partial reflection mirror 140 arranged at the turnaround point of the second path 136.
- the partially reflected mirror 140 is attached to the end surface of the planar light wave circuit 131 at the turning point of the second path 136.
- a forward monitor element 116 is arranged on the back side of the partial reflection mirror 140.
- the partial reflection mirror 140 reflects most (for example, 90%) of the emitted light of the surface emitting laser 112 and supplies it to the low-pass filter 138, and at the same time, transmits a part (for example, 10%) and supplies it to the forward monitor element 116. do.
- the first path 134 has a function of a mode filter (mode filter 132 in FIG. 1) for removing the higher-order mode of the received light signal SRX. Therefore, the first path 134 is composed of a curved waveguide radius of curvature defined so as to emit high-order mode of the received optical signal S RX.
- the second path 136 has a mode filter function for removing the higher-order mode of the transmitted light signal STX. Therefore, the second path 136 is composed of a curved waveguide whose radius of curvature is determined to radiate a higher-order mode of the transmitted optical signal STX.
- FIG. 3 is a diagram showing the characteristics of a mode filter using an exemplary curved waveguide.
- FIG. 3 shows a view of the curved waveguide from above, in which the shade represents the light intensity.
- the left side of the drawing is the input port of the curved waveguide, and the right side is the output port. It can be seen that the loss of TEM00 in the basic mode is 0.1 dB, while the loss of the higher-order modes TEM10 and TEM01 is 4 dB, which acts as a mode filter.
- FIG. 4 is a perspective view of the optical transceiver 100A of FIG.
- the surface emitting laser 112 is attached to the end surface of the planar light wave circuit 131 so that the emission window 113 is coupled to one end e1 of the second path 136.
- a low-pass filter 138 and a partially reflected mirror 140 are also attached to the end faces of the planar light wave circuit 131.
- the path (waveviding path) formed in the planar light wave circuit 131 is not actually exposed on the surface of the substrate, but is composed of a core and a clad surrounding the core.
- the conventional optical transceiver requires a large heat sink and isolator attached to the end face emitting laser, so there was no room for applying the bonding technology.
- the optical transceiver 100A can be downsized as compared with the free space optical system.
- FIG. 5A is a diagram showing an optical transceiver 100B according to the first embodiment.
- the optical transceiver 100B can bidirectionally communicate with the optical transceiver 100A of FIG. 2A, and the transmission wavelength ⁇ TX, which is the oscillation wavelength of the surface emitting laser 112, is a received optical signal input via the optical fiber 2.
- the optical transceiver 100B includes a high-pass filter 139 instead of the low-pass filter 138 of FIG. 2 (a).
- FIG. 5B is a diagram showing the transmission characteristics of the high-pass filter.
- the high-pass filter 139 transmits the reception wavelength ⁇ RX and reflects the transmission wavelength ⁇ TX. Others are the same as the optical transceiver 100A.
- FIG. 6 is a diagram showing an optical transceiver 100C according to the second embodiment.
- the optical transceiver 100C is connected to the communication partner optical transceiver 100C'via the two-core bidirectional fiber 2C.
- the two-core bidirectional fiber 2C includes a first core 4 and a second core 6.
- planar light wave circuit 131 is formed with the first path 142 and the second path 144.
- One end e1 of the first path 142 is coupled to the first core 4 of the two-core bidirectional fiber 2C in the optical adapter 102a, and the other end e2 is coupled to the photodetector 122.
- One end e1 of the second path 144 is coupled to the second core 6 of the two-core bidirectional fiber 2C in the optical adapter 102b, and the other end e2 is coupled to the surface emitting laser 112.
- the first path 142 and the second path 144 are formed by a curved waveguide. As a result, since they have a function as a mode filter, waveform distortion can be suppressed and high-speed communication becomes possible.
- FIG. 7 is a perspective view of the optical transceiver 100C of FIG.
- the surface emitting laser 112 is attached to the end surface of the planar light wave circuit 131 so that the emission window 113 is coupled to one end e1 of the second path 136.
- the photodetector 122 is also attached to the end face of the planar light wave circuit 131.
- FIG. 8 is a diagram showing an optical transceiver 100D according to the third embodiment.
- the optical transceiver 100D is connected to the optical transceiver of the communication partner via the one-core bidirectional fiber 2D.
- the oscillation wavelength (transmission wavelength ⁇ TX ) of the surface emitting laser 112 is equal to the wavelength ⁇ RX of the received light signal input via the optical fiber 2.
- a 4-port directional coupler 150 is formed in the planar light wave circuit 131.
- the optical fiber 2D is coupled to the first port P1 on the primary side of the directional coupler 150 via the optical adapter 102.
- a photodetector 122 is coupled to one P3 of two ports on the secondary side of the directional coupler 150, and a surface emitting laser 112 is coupled to the other P4.
- the forward monitor element 116 is coupled to another port P2 on the primary side of the directional coupler 150.
- the directional coupler 150 can be formed in the planar light wave circuit 131.
- the directional coupler 150 removes higher order modes of the received optical signal S RX, a function of the mode filter for supplying the fundamental mode of the received optical signal S RX to the optical detector 122. That is, a mode filter function is provided between the first port P1 and the third port P3.
- FIG. 9 is a diagram showing a simulation result of the characteristics of the directional coupler 150.
- the horizontal axis represents the coupler length L, and the vertical axis represents the transmission efficiency of TEM00, TEM10, and TEM01.
- the refractive index difference ⁇ n in the planar light wave circuit 131 is generally 0.45%.
- the wavelength is 1.1 ⁇ m
- the core is a rectangular cross section of 7 ⁇ m ⁇ 7 ⁇ m
- the spacing W of the waveguide is 1 ⁇ m.
- 10 (a) to 10 (c) are diagrams showing the simulation results of the directional coupler 150.
- the coupler length L is 2.09 mm.
- 10 (a) to 10 (c) show the intensity distribution when TEM00, TE10, and TEM01 are input to the port P1, respectively. Since the directional coupler has reversibility, when inputting from P3, the upper port of the output becomes P1 and the lower port becomes P2, so the correspondence is shown in parentheses.
- the attenuation factors at ports P3 and P4 are -3.12 dB and -2.94 dB, and the performance as a 1/2 demultiplexer is confirmed.
- the attenuation factors at ports P3 and P4 are -33.8 dB and -0.09 dB. Therefore, it is confirmed that the function of the mode removal filter is provided between the ports P1 and P3.
- the attenuation factors at ports P3 and P4 are -15.5 dB and -0.13 dB. Therefore, it is confirmed that the function of the mode removal filter is provided between the ports P1 and P3.
- FIG. 11 is a perspective view of the optical transceiver 100D of FIG.
- the surface emitting laser 112 is attached to the end surface of the planar light wave circuit 131 so that its emission window 113 is coupled to the first port of the directional coupler 150. Further, the photodetector 122 and the forward monitor element 116 are also bonded to the end face of the planar light wave circuit 131. As a result, high-density mounting becomes possible as in the first and second embodiments, and the optical transceiver 100D can be made smaller than the free space optical system.
- FIG. 12 is a diagram showing an optical transceiver 100F according to the fourth embodiment.
- the surface emitting laser 112 and the optical fiber 2 are coupled by a space coupling system.
- the transmitter 110 is provided with a coupling lens 118.
- the receiver 120 is also a TO-CAN package, and the photodetector 122 and the single mode fiber 2 are coupled by the lens 126.
- the wavelength filter 152 reflects the reception wavelength ⁇ RX and the transmission wavelength ⁇ TX .
- the wavelength filter 152 is a high-pass filter, and when ⁇ TX ⁇ RX , the wavelength filter 152 is a low-pass filter.
- the mode filter 132 is mounted on the planar light wave circuit 131.
- FIG. 13 is a diagram showing an optical transceiver 100G according to the fifth embodiment.
- FIG. 14 is a diagram showing the wavelengths used by the optical transceiver 100G of FIG.
- This optical transceiver 100G is a transceiver for single-core bidirectional transmission using four waves of transmission wavelength and four waves of reception wavelength of T band, and as shown in FIG. 14, T band (1.1 to 1.2 ⁇ m).
- Wavelength multiplex transmission is performed using eight of these wavelengths ( ⁇ RX1 , ⁇ RX2 , ⁇ RX3 , ⁇ RX4 , ⁇ TX1 , ⁇ TX2 , ⁇ TX3 , ⁇ TX4).
- wavelengths have a wavelength interval of about 0.02 ⁇ m, and each wavelength is within the transmission band (approximately 0.013 ⁇ m width) of each bandpass filter without controlling the wavelength by applying temperature control to the semiconductor laser.
- a wavelength division multiplexing technology called CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), which has a relatively wide wavelength interval and is characterized by being within, is applied.
- CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing
- Another feature of CWDM is that an optical bandpass filter that combines and demultiplexes each wavelength can be realized easily and at low cost with a dielectric multilayer film.
- the optical transceiver 100G includes a plurality of transmitters 110_1 to 110_4, a plurality of receivers 120_1 to 120_4, an optical component 160, a total reflection film 162, a lens 164, wavelength filters Tx1 to Tx4, and Rx1 to Rx4.
- wavelength filters Tx1 to Tx4 and Rx1 to Rx4 are attached to an optical component 160 using optical glass transparent to T-band light. Realize with.
- the total reflection film 162 is attached to a part of the side opposite to the transmitter 110 and the receiver 120.
- the wavelength filters Tx # and Rx # corresponding to the respective wavelengths are attached to the transmitter 110_ # and the receiver 120_ #.
- the received signal of the four waves is incident on the optical component 160 by the lens 164 or the like through the mode filter 132 butt-coupled from the single mode fiber 2, and propagates diagonally downward in the figure.
- the wavelength filter Tx4 all the received light is reflected, further reflected by the total reflection film, and folded back. This is repeated, and when the wavelength filter Rx4 is reached, only the received light having the wavelength ⁇ RX4 is transmitted and received by the receiver 120_4.
- the received light of the wavelength ⁇ RX3 is demultiplexed by the next wavelength filter Rx3, and then ⁇ RX2 and ⁇ RX1 are sequentially received.
- the last wavelength filter Rx1 is ideally unnecessary because the only remaining wavelength is ⁇ RX1 , but in reality, the demultiplexing characteristics of each wavelength filter are not perfect and the other wavelengths are small. If any light remains, it is good to leave it for the purpose of removing it.
- the signal light ⁇ TX1 output from the transmitter is coupled to the optical component 160 through the wavelength filter Tx1 with a lens or the like. Since the total reflection film 162 is attached to the opposite side of the optical component 160, it is folded back and propagates in the opposite direction of the optical component 160. Finally, it is optically coupled to the single mode fiber 2 and transmitted.
- This figure shows a typical configuration example, and it is easy to see that the positions of the transmitter and the receiver can be exchanged by changing the attachment position of the filter, for example.
- the planar light wave circuit 131 is not limited to the mode filter function, but the mode filter is provided by intentionally bending and laying a part of the optical fiber 2. The characteristics may be realized.
- the present invention relates to a bidirectional optical transmission system.
- Optical fiber 100 Optical transceiver 102
- Optical adapter 110 Transmitter 112
- Driver 116
- Forward monitor element 118
- Lens 120
- Receiver 122
- Optical detector 124
- Transimpedance amplifier 126
- Planar optical wave circuit 132
- Mode filter 134 1st path 136th 2 paths
- low pass filter 139
- high pass filter 140
- partial reflection mirror 142 1st path 144 2nd path
- directional coupler 152 wavelength filter P1 1st port P2 2nd port P3 3rd port P4 4th port
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Abstract
光トランシーバ100は、単一モードの光ファイバ2を介して、通信相手の光トランシーバと双方向通信可能である。面発光レーザ112は、光ファイバ2のカットオフ波長より短いTバンドの発振波長を有する。光検出器122は、Tバンドに検出感度を有する。プレーナ光波回路131は、光ファイバ2、面発光レーザ112および光検出器122を接続する。
Description
本開示は、双方向光伝送システムに関する。
現在主流である第4世代(4G)のモバイルネットワークインフラにおける双方向光伝送システムは、ゼロ分散波長が1.3μmのシリカガラスを材料とする単一モード光ファイバを基軸として構築されている。このような光ファイバは、1.3μm帯や1.5μm帯において、単一モード伝送を保証する。したがって現在のインフラに使用される光トランシーバは、1.5μm付近のCバンドあるいはLバンド、あるいはEバンドを発振波長とする端面発光レーザを用いて構成されている。
Vitezslav Jerabek, Ivan Huttel, Vaclav Prajzler, K. Busek, J. A. Arciniega、"Design and Construction of a VHGT-Attached WDM - Type Triplex Transceiver Module Using Polymer PLC Hybrid Integration Technology"、[online]、インターネット<URL:https://ieeexplore.ieee.org/document/4569929>
現在、モバイルネットワークの第4世代(4G)から第5世代(5G)への過渡期にあり、無線アクセス系およびデータセンター向けに、高速な光トランシーバが必要とされている。
本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高性能な光トランシーバの提供にある。
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例を含む)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
一実施形態に係る光トランシーバは、単一モードの光ファイバを介して、通信相手の光トランシーバと双方向通信可能な光トランシーバであって、光ファイバのカットオフ波長より短いTバンド(1.1~1.2μm)の発振波長を有する送信用の面発光レーザと、Tバンドに検出感度を有する受信用の光検出器と、光ファイバを面発光レーザおよび光検出器と接続するプレーナ光波回路と、を備える。
この構成によれば、高速変調特性、温度安定性や消費電力などの諸特性において端面発光レーザより優れている垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を利用することにより、光トランシーバを高性能化できる。面発光レーザは端面発光レーザに比べて消費電力が1/10倍程度と非常に小さいため、冷却機構を簡素化し、あるいは省略することができるため、光トランシーバの低コスト化、小型化にも寄与する。
また、すでに広く普及している石英系の光ファイバを利用しているため、Tバンドで単一モード伝送を保証する光ファイバを新たに導入する必要がないため、コストアップを抑えることができる。
光ファイバは断面が円形であり基本モード(LP01)と高次モード(LP11)の光信号が伝送される。そして、光トランシーバから光信号を送出する際に基本モード(LP01)のみに変換して光ファイバを伝送したとしても、光ファイバにかかっているストレスやコネクタ接続部などで、高次モードに変換される可能性がある。光トランシーバ内のプレーナ光波回路はその断面が矩形であるために、基本モードはTEM00であり、高次のモードはTEM01とTEM10である。光ファイバ、および、プレーナ光波回路のどちらにおいても基本モードの電界分布は単峰性の形状であり、LP01とTEM00とのモード変換が最も生じやすい。単一モード伝送が保証されないTバンドを石英系の光ファイバで伝送するため、光ファイバの高次モードLP11は、プレーナ光波回路の高次のモードTEM01とTEM10に変換され易い。したがって、光トランシーバには、基本モード(TEM00)のみでなく、高次のモード(TEM01,TEM10)を含む受信光信号が入力される可能性がある。光ファイバの基本モードと高次モードは、伝搬遅延が異なるため、それらが混在して光検出器に入射すると、波形歪みの原因となり得る。そこで、プレーナ光波回路は、光ファイバを介して入力された受信光信号から高次モードを除去し、光検出器に供給するモードフィルタを含んでもよい。これにより、波形歪みを抑制でき、高速な通信が可能となる。
光トランシーバには、面発光レーザへの戻り光を除去するアイソレータが設けられていなくてもよい。面発光レーザは、戻り光に対する耐性が高いデバイスを設計することができる。したがってこのような面発光レーザを採用することで、アイソレータを省略でき、光トランシーバを低コスト化し、および/または小型化できる。
従来の光トランシーバは、端面発光レーザの出射面にアイソレータを配置する必要があるため、自由空間光学系で構成されていた。これに対して、一実施形態では、アイソレータが不要であることから、自由空間光学系ではなく、集積光学系で構成することも可能である。
面発光レーザの出射面が、プレーナ光波回路の端面に貼り合わされていてもよい。従来の光トランシーバでは、端面発光レーザに付随する大きなヒートシンクやアイソレータが必要であるため、貼り合わせ技術を適用する余地はなかったが、面発光レーザを用いることにより、貼り合わせ技術を用いた高密度実装が可能となり、光トランシーバを小型化できる。
一実施形態において、光ファイバは、一芯双方向ファイバであってもよい。この場合に、面発光レーザの発振波長である送信波長は、光ファイバを介して入力される受信光信号の受信波長より長くてもよい。プレーナ光波回路は、一端が光ファイバと結合される第1経路と、一端が面発光レーザを結合される第2経路と、を含んでもよい。光トランシーバは、第1面が、第1経路の他端および第2経路の他端と結合されており、第2面に光検出器が配置され、受信波長を透過し、送信波長を反射するローパスフィルタをさらに備えてもよい。この構成は、方向性結合器を必要としないため、低損失で構成できる。
一実施形態において、光ファイバは、一芯双方向ファイバであってもよい。面発光レーザの発振波長である送信波長は、光ファイバを介して入力される受信光信号の受信波長より短くてもよい。プレーナ光波回路は、一端が光ファイバと結合される第1経路と、一端が面発光レーザを結合される第2経路と、を含んでもよい。光トランシーバは、第1面が、第1経路の他端および第2経路の他端と結合されており、第2面に光検出器が配置され、受信波長を透過し、送信波長を反射するハイパスフィルタをさらに備えてもよい。この構成は、方向性結合器を必要としないため、光の損失を低減できる。
一実施形態において、光トランシーバは、面発光レーザの出力強度を検出するフォワードモニタ素子をさらに備えてもよい。第2経路を導波する光の一部が、フォワードモニタ素子に供給されてもよい。これにより、面発光レーザの出力強度をフィードバック制御できる。
一実施形態において光ファイバは、二芯双方向ファイバであってもよい。プレーナ光波回路は、一端が二芯双方向ファイバの第1芯と結合され、他端が光検出器と結合され第1経路と、一端が二芯双方向ファイバの第2芯と結合され、他端が面発光レーザと結合され第2経路と、を備えてもよい。この構成は、方向性結合器を必要としないため、光の損失を低減できる。
第1経路は、受信光信号の高次モードを除去するモードフィルタの機能を備えてもよい。これにより、波形歪みを抑制でき、高速な通信が可能となる。
第1経路は、曲率半径が受信光信号の高次モードを放射するように定められた曲がり導波路を有してもよい。これにより第1経路が、高次モードを除去するモードフィルタの機能を備えることとなる。
第2経路は、送信光信号の高次モードを除去するモードフィルタの機能を備えてもよい。これにより、送信側において、光ファイバに結合する高次モードを抑制することができる。
第2経路は、曲率半径が送信光信号の高次モードを放射するように定められた曲がり導波路を有してもよい。これにより第2経路が、高次モードを除去するモードフィルタの機能を備えることとなる。
光ファイバは、一芯双方向ファイバであってもよい。面発光レーザの発振波長は、光ファイバを介して入力される受信光信号の波長と等しくてもよい。プレーナ光波回路は、4ポートの方向性結合器を含み、方向性結合器の1次側の2ポートの一方に光ファイバが結合され、2次側の2ポートに光検出器および面発光レーザが結合されてもよい。この構成は、方向性結合器による損失が発生するが、光フィルタが不要となるという利点がある。
光トランシーバは、方向性結合器の1次側の2ポートの他方に結合され、面発光レーザの出力強度を検出するフォワードモニタ素子をさらに備えてもよい。
方向性結合器は、受信光信号の高次モードを除去し、受信光信号の基本モードを光検出器に供給するモードフィルタの機能を備えてもよい。方向性結合器の長さを最適化することにより、基本モードを透過し、高次モードを除去することができる。
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本開示の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本開示のある態様によれば、高性能な光フィルタを実現できる。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図1は、実施形態に係る光トランシーバ100の基本構成を示す図である。光トランシーバ100は、単一モードの光ファイバ2を介して、通信相手の光トランシーバ100’と双方向通信可能である。光トランシーバ100と100’の基本的な構成は実質的に同一である。光ファイバ2は、広く普及している石英系の単一モードファイバを用いることができる。光ファイバ2は、カットオフ波長λcより長い波長帯において、単一モード伝送を保証する。
光トランシーバ100は、光アダプタ102、送信機110、受信機120、プレーナ光波回路(PLC:Planar Lightwave Circuit)131、フォワードモニタ素子116を備える。
光トランシーバ100は、光アダプタ102を介して光ファイバ2と接続される。
送信機110は、面発光レーザ112およびドライバ114を含む。送信機110は、送信光サブアッセンブリ(TOSA:Transmitter Optical Sub-Assembly)としてモジュール化されてもよい。
送信用の面発光レーザ112は、VCSELであり、光ファイバ2のカットオフ波長λcより短いTバンド(1.1~1.2μm)の発振波長を有する。したがって、相手側の光トランシーバ100’から受信する受信光信号の波長もTバンドである。ドライバ114は、送信データに応じて、面発光レーザ112を駆動し、変調された送信光信号を発生させる。
受信機120は、光検出器122を含む。光検出器122はたとえばPINフォトダイオードあるいはAPD(アバランシェフォトダイオード)であり、Tバンドに検出感度を有し、光ファイバ2を介して受信した受信光信号を検出する。受信機120は、光検出器122に加えて、光検出器122に流れる電流を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ(TIA)124を含み、受信光サブアッセンブリ(ROSA:Transmitter Optical Sub-Assembly)としてモジュール化されてもよい。
プレーナ光波回路131は、光ファイバ2、面発光レーザ112および光検出器122を接続する。具体的には、プレーナ光波回路131は、面発光レーザ112の出射光を、送信光信号として光アダプタ102に供給し、光アダプタ102に入力された受信光信号を、光検出器122に供給する。
フォワードモニタ素子116は、面発光レーザ112の出力強度を検出するために設けられる。プレーナ光波回路131は、面発光レーザ112の出射光の一部を、フォワードモニタ素子116に供給する。送信機110のドライバ114は、フォワードモニタ素子116の出力に応じて、面発光レーザ112に供給する駆動電流をフィードバック制御により安定化する。端面発光レーザの場合、出射端面と正対する端面において、出力強度をモニタ可能であるが、面発光レーザでは、裏面(基板)側において出力強度のモニタできないため、フォワードモニタ素子116を設けることで、出力の安定化を図ることができる。
以上が光トランシーバ100の基本構成である。この構成によれば、温度安定性や消費電力などの諸特性において、端面発光レーザより優れているVCSELを利用することにより、光トランシーバを高性能化できる。面発光レーザは端面発光レーザに比べて消費電力が1/10倍程度と非常に小さい。そのため、冷却機構を簡素化し、あるいは省略することができるため、光トランシーバの低コスト化、小型化にも寄与する。
また、すでに広く普及している石英系の光ファイバ2を利用しているため、Tバンドで単一モード伝送を保証する光ファイバを新たに導入する必要がないため、コストアップを抑えることができる。
端面発光レーザは、断面が楕円のビームしか生成できないため、端面発光レーザを光ファイバ2に結合するために、レンズ光学系が必要となる。これに対して、面発光レーザは、出射窓(アパーチャ)を円形とすることで、断面が円形のビームを生成することができるため、その出射光を、レンズレスで光ファイバ2に結合させることも可能であり、その場合には、光トランシーバ100のコストを下げ、また小型化することができる。
光トランシーバ100のさらなる特徴として、面発光レーザ112への戻り光を除去するアイソレータが設けられない点が挙げられる。面発光レーザ112は、戻り光に対する耐性が高いデバイスを設計することができる。したがってこのような面発光レーザを採用することで、アイソレータを省略でき、光トランシーバを低コスト化し、小型化できる。
また従来の光トランシーバは、端面発光レーザの出射面に、アイソレータを配置する必要があり、スペース上の制約があったため、自由空間光学系で構成されていた。これに対して、本実施形態では、アイソレータが不要であるため、プレーナ光波回路131を用いて集積光学系として構成することが可能である。この点については、後述の実施形態1~3で詳細に説明する。
図1に示すように、プレーナ光波回路131は、モードフィルタ132を備えることが好ましい。モードフィルタ132は、光ファイバ2を介して入力された受信光信号から高次モード(TEM01,TEM10)を除去し、基本モード(TEM00)を光検出器122に供給する。
なお、本実施形態では、単一モード伝送が保証されないTバンドを光ファイバ2で伝送するため、光トランシーバには、基本モード(TEM00)のみでなく、高次のモード(TEM01,TEM10)を含む受信光信号が入力される可能性がある。基本モードと高次モードは、伝搬遅延が異なるため、それらが混在して光検出器122に入射すると、波形歪みの原因となり伝送レートが低下する。そこで、プレーナ光波回路131に、モードフィルタ132を設けることで、波形歪みを抑制でき、高速な通信が可能となる。
本開示は、図1のブロック図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
(実施例1)
図2(a)は、実施例1に係る光トランシーバ100Aを示す図である。実施例1において、光ファイバ2は、一芯双方向ファイバである。また面発光レーザ112の発振波長である送信波長λTXは、光ファイバ2を介して入力される受信光信号の受信波長λRXより長い。なお、この光トランシーバ100Aの通信相手である光トランシーバ100Bにおいては、波長の関係が逆である。
図2(a)は、実施例1に係る光トランシーバ100Aを示す図である。実施例1において、光ファイバ2は、一芯双方向ファイバである。また面発光レーザ112の発振波長である送信波長λTXは、光ファイバ2を介して入力される受信光信号の受信波長λRXより長い。なお、この光トランシーバ100Aの通信相手である光トランシーバ100Bにおいては、波長の関係が逆である。
プレーナ光波回路131上には、第1経路134および第2経路136が形成される。第1経路134の一端e1は、光アダプタ102において光ファイバ2と結合される。また第2経路136の一端e1は、面発光レーザ112と結合される。
光トランシーバ100Aは、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされたローパスフィルタ138をさらに備える。ローパスフィルタ138の第1面f1は、第1経路134の他端e2および第2経路136の他端e2と結合されており、その第2面f2には光検出器122が配置される。ローパスフィルタ138は、受信波長λRXを透過し、送信波長λTXを反射する。図2(b)は、ローパスフィルタ138の透過特性を示す図である。
第2経路136は、プレーナ光波回路131の一辺において折り返されている。光トランシーバ100Aは、第2経路136の折り返し点に配置される部分反射ミラー140をさらに備える。部分反射ミラー140は、第2経路136の折り返し点において、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされている。部分反射ミラー140の裏側には、フォワードモニタ素子116が配置される。部分反射ミラー140は、面発光レーザ112の出射光の大部分(たとえば90%)を反射してローパスフィルタ138に供給するとともに、一部(たとえば10%)を透過してフォワードモニタ素子116に供給する。
第1経路134は、受信光信号SRXの高次モードを除去するモードフィルタ(図1のモードフィルタ132)の機能を備えることが好ましい。そのために、第1経路134は、曲率半径が受信光信号SRXの高次モードを放射するように定められた曲がり導波路で構成される。
また、第2経路136は、送信光信号STXの高次モードを除去するモードフィルタの機能を備えることが好ましい。そのために第2経路136は、曲率半径が送信光信号STXの高次モードを放射するように定められた曲がり導波路で構成される。
図3は、例示的な曲がり導波路によるモードフィルタの特性を示す図である。図3には、曲がり導波路を上から見た図が示されており、濃淡は光強度を表す。図面の左側が曲がり導波路の入力ポート、右側が出力ポートである。基本モードのTEM00の損失は0.1dBである一方、高次モードTEM10およびTEM01の損失は4dBであり、モードフィルタとして作用することがわかる。
図4は、図2の光トランシーバ100Aの斜視図である。面発光レーザ112は、その出射窓113が、第2経路136の一端e1と結合するようにして、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされている。またローパスフィルタ138および部分反射ミラー140も、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされている。なお、プレーナ光波回路131に形成される経路(導波路)は、実際には基板の表面に露出しているわけではなく、コアと、それを取り囲むクラッドで構成される。
従来の光トランシーバでは、端面発光レーザに付随する大きなヒートシンクやアイソレータが必要であるため、貼り合わせ技術を適用する余地はなかった。これに対して、実施例1では、面発光レーザを用いることにより、貼り合わせ技術を用いた高密度実装が可能となり、自由空間光学系に比べて光トランシーバ100Aを小型化できる。
図5(a)は、実施例1に係る光トランシーバ100Bを示す図である。この光トランシーバ100Bは、図2(a)の光トランシーバ100Aと双方向通信可能であり、面発光レーザ112の発振波長である送信波長λTXは、光ファイバ2を介して入力される受信光信号の受信波長λRXより短い。
光トランシーバ100Bは、図2(a)のローパスフィルタ138に代えてハイパスフィルタ139を備える。図5(b)は、ハイパスフィルタの透過特性を示す図である。ハイパスフィルタ139は、受信波長λRXを透過し、送信波長λTXを反射する。その他については、光トランシーバ100Aと同様である。
(実施例2)
図6は、実施例2に係る光トランシーバ100Cを示す図である。光トランシーバ100Cは、二芯双方向ファイバ2Cを介して、通信相手の光トランシーバ100C’と接続される。二芯双方向ファイバ2Cは、第1芯4および第2芯6を含む。
図6は、実施例2に係る光トランシーバ100Cを示す図である。光トランシーバ100Cは、二芯双方向ファイバ2Cを介して、通信相手の光トランシーバ100C’と接続される。二芯双方向ファイバ2Cは、第1芯4および第2芯6を含む。
実施例1と同様に、プレーナ光波回路131には、第1経路142および第2経路144が形成される。
第1経路142の一端e1は、光アダプタ102aにおいて二芯双方向ファイバ2Cの第1芯4と結合され、その他端e2は、光検出器122と結合される。第2経路144の一端e1は、光アダプタ102bにおいて二芯双方向ファイバ2Cの第2芯6と結合され、その他端e2は面発光レーザ112と結合される。
実施例1と同様に、第1経路142および第2経路144は、曲がり導波路で形成するとことが望ましい。これにより、それらがモードフィルタとしての機能を備えるため、波形歪みを抑制でき、高速な通信が可能となる。
図7は、図6の光トランシーバ100Cの斜視図である。面発光レーザ112は、その出射窓113が、第2経路136の一端e1と結合するようにして、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされている。また光検出器122も、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされている。これにより、実施例1と同様に高密度実装が可能となり、自由空間光学系に比べて光トランシーバ100Cを小型化できる。実施例1と比べて、ローパスフィルタ138が不要となるため、さらに光トランシーバ100Cを小型化できる。
(実施例3)
図8は、実施例3に係る光トランシーバ100Dを示す図である。光トランシーバ100Dは、一芯双方向ファイバ2Dを介して、通信相手の光トランシーバと接続される。
図8は、実施例3に係る光トランシーバ100Dを示す図である。光トランシーバ100Dは、一芯双方向ファイバ2Dを介して、通信相手の光トランシーバと接続される。
実施例3においては、面発光レーザ112の発振波長(送信波長λTX)は、光ファイバ2を介して入力される受信光信号の波長λRXと等しい。
プレーナ光波回路131には、4ポートの方向性結合器150が形成される。方向性結合器150の1次側の第1ポートP1に、光アダプタ102を介して光ファイバ2Dが結合される。方向性結合器150の2次側の2ポートの一方P3には光検出器122が結合され、他方P4には、面発光レーザ112が結合される。方向性結合器150の1次側の別ポートP2には、フォワードモニタ素子116が結合される。
実施例1や実施例2と同様に、方向性結合器150は、プレーナ光波回路131に形成することができる。方向性結合器150は、受信光信号SRXの高次モードを除去し、受信光信号SRXの基本モードを光検出器122に供給するモードフィルタの機能を備える。つまり、第1ポートP1と第3ポートP3の間に、モードフィルタの機能が備わっている。
図9は、方向性結合器150の特性のシミュレーション結果を示す図である。横軸はカプラ長Lを、縦軸は、TEM00,TEM10,TEM01の伝送効率を示す。プレーナ光波回路131における屈折率差Δnは一般的な0.45%とした。また波長は1.1μm、コアは7μm×7μmの矩形断面であり、導波路の間隔Wは1μmとしている。
図9の結果から、カプラ長Lを2.09mmとした場合に、基本モードについては結合係数を3dB、つまり1/2分波器としつつ、高次モードについては除去フィルタとして作用することが分かる。
図10(a)~(c)は、方向性結合器150のシミュレーション結果を示す図である。カプラ長Lは2.09mmである。図10(a)~(c)はそれぞれ、ポートP1にTEM00,TE10,TEM01を入力したときの強度分布を示す。方向性結合器には可逆性があるのでP3から入力した場合には、出力の上のポートがP1となり、下のポートがP2となるので、その対応関係を括弧内に示した。
基本モードTEM00に関しては、ポートP3とP4における減衰率は、-3.12dBと-2.94dBであり、1/2分波器としての性能が確認される。
高次モードTEM10に関しては、ポートP3とP4における減衰率は、-33.8dBと-0.09dBである。したがってポートP1とP3の間に、モード除去フィルタの機能が備わっていることが確認される。高次モードTEM01に関しては、ポートP3とP4における減衰率は、-15.5dBと-0.13dBである。したがってポートP1とP3の間に、モード除去フィルタの機能が備わっていることが確認される。
図11は、図8の光トランシーバ100Dの斜視図である。面発光レーザ112は、その出射窓113が、方向性結合器150の第1ポートと結合するようにして、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされている。また光検出器122およびフォワードモニタ素子116も、プレーナ光波回路131の端面に貼り合わされている。これにより、実施例1や実施例2と同様に高密度実装が可能となり、自由空間光学系に比べて光トランシーバ100Dを小型化できる。
(実施例4)
図12は、実施例4に係る光トランシーバ100Fを示す図である。光トランシーバ100Fにおいて、面発光レーザ112と光ファイバ2は空間結合系で結合される。送信機110には、結合用のレンズ118が設けられる。たとえば、これはTO-CANと呼ばれるパッケージとなる。また、受信機120も、TO-CANパッケージとしており、光検出器122とシングルモードファイバ2がレンズ126により結合される。波長フィルタ152は、受信波長λRXを反射し、送信波長λTXを反射する。λTX>λRXの場合、波長フィルタ152はハイパスフィルタであり、λTX<λRXの場合、波長フィルタ152はローパスフィルタである。モードフィルタ132は、プレーナ光波回路131に実装されている。
図12は、実施例4に係る光トランシーバ100Fを示す図である。光トランシーバ100Fにおいて、面発光レーザ112と光ファイバ2は空間結合系で結合される。送信機110には、結合用のレンズ118が設けられる。たとえば、これはTO-CANと呼ばれるパッケージとなる。また、受信機120も、TO-CANパッケージとしており、光検出器122とシングルモードファイバ2がレンズ126により結合される。波長フィルタ152は、受信波長λRXを反射し、送信波長λTXを反射する。λTX>λRXの場合、波長フィルタ152はハイパスフィルタであり、λTX<λRXの場合、波長フィルタ152はローパスフィルタである。モードフィルタ132は、プレーナ光波回路131に実装されている。
(実施例5)
図13は、実施例5に係る光トランシーバ100Gを示す図である。図14は、図13の光トランシーバ100Gの使用波長を示す図である。この光トランシーバ100Gは、Tバンドの送信波長4波と受信波長4波を用いた一芯双方向伝送用のトランシーバであり、図14に示すように、Tバンド(1.1~1.2μm)内の8つの波長(λRX1,λRX2,λRX3,λRX4,λTX1,λTX2,λTX3,λTX4)を用いて波長多重伝送を行う。これらの波長は波長間隔が0.02μm程度あって、半導体レーザに温度制御を掛けて波長コントロールを行わなくても、個々の波長は各バンドパスフィルタの透過帯域(およそ、0.013μm幅)の中に収まることを特長とした波長間隔が比較的に広いCWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)と言われる波長多重技術を適用する。CWDMの他の特長には、各波長の合波・分波を行う光バンドバスフィルタが誘電体多層膜で簡易、かつ、低コストに実現できることもある。
図13は、実施例5に係る光トランシーバ100Gを示す図である。図14は、図13の光トランシーバ100Gの使用波長を示す図である。この光トランシーバ100Gは、Tバンドの送信波長4波と受信波長4波を用いた一芯双方向伝送用のトランシーバであり、図14に示すように、Tバンド(1.1~1.2μm)内の8つの波長(λRX1,λRX2,λRX3,λRX4,λTX1,λTX2,λTX3,λTX4)を用いて波長多重伝送を行う。これらの波長は波長間隔が0.02μm程度あって、半導体レーザに温度制御を掛けて波長コントロールを行わなくても、個々の波長は各バンドパスフィルタの透過帯域(およそ、0.013μm幅)の中に収まることを特長とした波長間隔が比較的に広いCWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)と言われる波長多重技術を適用する。CWDMの他の特長には、各波長の合波・分波を行う光バンドバスフィルタが誘電体多層膜で簡易、かつ、低コストに実現できることもある。
光トランシーバ100Gは、複数の送信機110_1~110_4、複数の受信機120_1~120_4、光部品160、全反射膜162、レンズ164、波長フィルタTx1~Tx4、Rx1~Rx4を備える。
波長フィルタRx#,Tx#(#=1~4)は、波長λRX#,λTX#のみ透過させ、他の7波長は反射する特性を有する。
送信波長4波と受信波長4波の合波・分波は、例えば、Tバンドの光に対して透明な光学ガラスを用いた光部品160に波長フィルタTx1~Tx4,Rx1~Rx4を貼り付けるなどで実現する。図では送信器110、受信器120と反対側の一部に全反射膜162を貼り付けている。そして、送信器110_#、受信器120_#の側には、それぞれの波長に対応する波長フィルタTx#,Rx#が貼り付けられている。4波の受信信号はシングルモードファイバ2から突き合わせ結合されたモードフィルタ132を通して、レンズ164等によりこの光部品160に入射して、図では斜め下に伝搬する。波長フィルタTx4では受信光は全て反射してさらに全反射膜で反射されて折り返される。これを繰り返し、波長フィルタRx4に到達すると波長λRX4の受信光のみ透過し、受信器120_4で受信される。この図では、次の波長フィルタRx3で波長λRX3の受信光が分波され、次に、λRX2、λRX1と順次、受信する構成となっている。なお、最後の波長フィルタRx1は、既に残っている波長がλRX1のみなので理想的には不要であるが、実際には、各波長フィルタの分波特性が完全ではなくて他の波長の僅な光が残っていた場合にそれを除去する目的で残すとよい。
送信波長4波と受信波長4波の合波・分波は、例えば、Tバンドの光に対して透明な光学ガラスを用いた光部品160に波長フィルタTx1~Tx4,Rx1~Rx4を貼り付けるなどで実現する。図では送信器110、受信器120と反対側の一部に全反射膜162を貼り付けている。そして、送信器110_#、受信器120_#の側には、それぞれの波長に対応する波長フィルタTx#,Rx#が貼り付けられている。4波の受信信号はシングルモードファイバ2から突き合わせ結合されたモードフィルタ132を通して、レンズ164等によりこの光部品160に入射して、図では斜め下に伝搬する。波長フィルタTx4では受信光は全て反射してさらに全反射膜で反射されて折り返される。これを繰り返し、波長フィルタRx4に到達すると波長λRX4の受信光のみ透過し、受信器120_4で受信される。この図では、次の波長フィルタRx3で波長λRX3の受信光が分波され、次に、λRX2、λRX1と順次、受信する構成となっている。なお、最後の波長フィルタRx1は、既に残っている波長がλRX1のみなので理想的には不要であるが、実際には、各波長フィルタの分波特性が完全ではなくて他の波長の僅な光が残っていた場合にそれを除去する目的で残すとよい。
送信光に関しては、例えば、送信器から出力された信号光λTX1については、レンズ等で波長フィルタTx1を通してこの光部品160に結合する。この光部品160の反対側には全反射膜162が貼り付けられているので折り返されて、先ほどと逆に光部品160を伝搬する。そして、最終的にはシングルモードファイバ2に光結合して送信される。この図は代表的な構成例を示しており、例えば、フィルタの貼り付け位置を変えれば、送信器と受信器の位置を入れ替えることが可能なことは容易に分かる。
実施形態あるいはいくつかの実施例、変形例において、プレーナ光波回路131がモードフィルタの機能を備えたがその限りでなく、光ファイバ2の一部分を意図的に曲げて敷設することにより、モードフィルタの特性を実現してもよい。
実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
本発明は、双方向光伝送システムに関する。
2 光ファイバ
100 光トランシーバ
102 光アダプタ
110 送信機
112 面発光レーザ
114 ドライバ
116 フォワードモニタ素子
118 レンズ
120 受信機
122 光検出器
124 トランスインピーダンスアンプ
126 レンズ
131 プレーナ光波回路
132 モードフィルタ
134 第1経路
136 第2経路
138 ローパスフィルタ
139 ハイパスフィルタ
140 部分反射ミラー
142 第1経路
144 第2経路
150 方向性結合器
152 波長フィルタ
P1 第1ポート
P2 第2ポート
P3 第3ポート
P4 第4ポート
100 光トランシーバ
102 光アダプタ
110 送信機
112 面発光レーザ
114 ドライバ
116 フォワードモニタ素子
118 レンズ
120 受信機
122 光検出器
124 トランスインピーダンスアンプ
126 レンズ
131 プレーナ光波回路
132 モードフィルタ
134 第1経路
136 第2経路
138 ローパスフィルタ
139 ハイパスフィルタ
140 部分反射ミラー
142 第1経路
144 第2経路
150 方向性結合器
152 波長フィルタ
P1 第1ポート
P2 第2ポート
P3 第3ポート
P4 第4ポート
Claims (16)
- 単一モードの光ファイバを介して、通信相手の光トランシーバと双方向通信可能な光トランシーバであって、
前記光ファイバのカットオフ波長より短いTバンドの発振波長を有する送信用の面発光レーザと、
前記Tバンドに検出感度を有する受信用の光検出器と、
前記光ファイバを、記面発光レーザおよび前記光検出器と接続するプレーナ光波回路と、
を備えることを特徴とする光トランシーバ。 - 前記プレーナ光波回路は、前記光ファイバを介して入力された受信光信号から高次モードを除去し、前記光検出器に供給するモードフィルタを含むことを特徴とする請求項1に記載の光トランシーバ。
- 前記面発光レーザへの戻り光を除去するアイソレータが設けられないことを特徴とする請求項1または2に記載の光トランシーバ。
- 前記面発光レーザの出射面が、前記プレーナ光波回路の端面に貼り合わされていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光トランシーバ。
- 前記光ファイバは、一芯双方向ファイバであり、
前記面発光レーザの前記発振波長である送信波長は、前記光ファイバを介して入力される受信光信号の受信波長より長く、
前記プレーナ光波回路は、
一端が前記光ファイバと結合される第1経路と、
一端が前記面発光レーザを結合される第2経路と、
を含み、
前記光トランシーバは、
第1面が、前記第1経路の他端および前記第2経路の他端と結合されており、第2面に前記光検出器が配置され、前記受信波長を透過し、前記送信波長を反射するローパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光トランシーバ。 - 前記光ファイバは、一芯双方向ファイバであり、
前記面発光レーザの前記発振波長である送信波長は、前記光ファイバを介して入力される受信光信号の受信波長より短く、
前記プレーナ光波回路は、
一端が前記光ファイバと結合される第1経路と、
一端が前記面発光レーザを結合する第2経路と、
を含み、
前記光トランシーバは、第1面が、前記第1経路の他端および前記第2経路の他端と結合しており、第2面に前記光検出器が配置され、前記受信波長を透過し、前記送信波長を反射するハイパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光トランシーバ。 - 前記面発光レーザの出力強度を検出するフォワードモニタ素子をさらに備え、
前記第2経路を導波する光の一部が、前記フォワードモニタ素子に供給されることを特徴とする請求項5または6に記載の光トランシーバ。 - 前記光ファイバは、二芯双方向ファイバであり、
前記プレーナ光波回路は、
一端が前記二芯双方向ファイバの第1芯と結合され、他端が前記光検出器と結合され第1経路と、
一端が前記二芯双方向ファイバの第2芯と結合され、他端が前記面発光レーザと結合され第2経路と、
を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光トランシーバ。 - 前記第1経路は、受信光信号の高次モードを除去するモードフィルタの機能を備えることを特徴とする請求項5から8のいずれかに記載の光トランシーバ。
- 前記第1経路は、曲率半径が前記受信光信号の前記高次モードを放射するように定められた曲がり導波路を有することを特徴とする請求項9に記載の光トランシーバ。
- 前記第2経路は、送信光信号の高次モードを除去するモードフィルタの機能を備えることを特徴とする請求項5から10のいずれかに記載の光トランシーバ。
- 前記第2経路は、曲率半径が前記送信光信号の前記高次モードを放射するように定められた曲がり導波路を有することを特徴とする請求項11に記載の光トランシーバ。
- 前記光ファイバは、一芯双方向ファイバであり、
前記面発光レーザの前記発振波長は、前記光ファイバを介して入力される受信光信号の波長と等しく、
前記プレーナ光波回路は、4ポートの方向性結合器を含み、前記方向性結合器の1次側の2ポートのひとつに前記光ファイバが結合され、2次側の2ポートに、前記光検出器および前記面発光レーザが結合されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光トランシーバ。 - 前記方向性結合器の前記1次側の2ポートの他方に結合されており、前記面発光レーザの出力強度を検出するフォワードモニタ素子をさらに備えることを特徴とする請求項13に記載の光トランシーバ。
- 前記方向性結合器は、前記受信光信号の高次モードを除去し、前記受信光信号の基本モードを前記光検出器に供給するモードフィルタの機能を備えることを特徴とする請求項13または14に記載の光トランシーバ。
- 前記プレーナ光波プレーナ回路の前記モードフィルタを前記光ファイバと突き合わせ結合し、前記面発光レーザと前記モードフィルタの結合には、空間結合が利用されることを特徴とする請求項2に記載の光トランシーバ。
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2021
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