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1. WO2020008594 - 光送信モジュール

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明 細 書

発明の名称 光送信モジュール

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007  

発明の効果

0008  

図面の簡単な説明

0009  

発明を実施するための形態

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025  

符号の説明

0026  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

明 細 書

発明の名称 : 光送信モジュール

技術分野

[0001]
 本願は、光送信モジュールに関する。

背景技術

[0002]
 近年、データトラフィックの増大に伴い、光通信によるデータ伝送容量も100Gbpsを超えるような高速大容量化が進んでいる。この需要増加に伴って光トランシーバ内の光通信モジュールを増設することなく通信容量を増大することが望まれていることから、発振波長の異なる複数のDFB(Distributed Feedback)レーザ素子を一つに集積した光送信モジュール(多波長集積レーザモジュール)が採用されてきている。
[0003]
 発振波長の異なる複数のDFBレーザ素子を1枚の半導体基板上に一括形成する場合、発振波長と活性層の利得ピークの波長差(ディチューニング量)が各レーザで異なるため、周波数特性の均一化に不利であった。これを解決するために、例えば特許文献1では、選択気相成長技術により半導体レーザの活性層の膜厚と電界吸収型光変調器の活性層の膜厚との比(半導体レーザ活性層の層厚/変調器活性層の層厚)を半導体レーザの発振波長が長くなるほど小さくする技術を開示している。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2001-326414号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 特許文献1によれば、周波数特性を均一化するために発振波長毎に選択気相成長を行う技術(MOVPE法)を用いて半導体レーザと光変調器の活性層を一括形成しているが、この技術は高度であり容易に製造が実施できないという課題があった。
[0006]
 本願は、上記のような高度な技術を必要とせず、簡易な製造方法で波長が異なるレーザ素子の周波数特性を均一化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

[0007]
 本願に開示される光送信モジュールは、発振波長が異なり、変調が可能な複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子のそれぞれを変調するための電気信号を発生する駆動回路と、駆動回路から複数のレーザ素子のそれぞれのレーザ素子に電気信号を伝送する、複数の信号線路とを備えた光送信モジュールにおいて、駆動回路から複数のレーザ素子のうち発振波長が長いレーザ素子までの電気信号の通過損失が、駆動回路から複数のレーザ素子のうち発振波長が短いレーザ素子までの電気信号の通過損失に比べて大きいように構成されている。

発明の効果

[0008]
 本願に開示される光送信モジュールによれば、簡易な製造方法で波長が異なるレーザ素子の周波数特性を均一化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効果がある。

図面の簡単な説明

[0009]
[図1] 実施の形態1による光送信モジュールの概略構成を示すブロック図である。
[図2] 発振波長が異なるレーザ素子の特性を説明するための線図である。
[図3] 実施の形態1による光送信モジュールの作用を説明するための線図である。
[図4] 実施の形態1による光送信モジュールの効果を説明するための線図である。
[図5] 図5Aおよび図5Bは、実施の形態1による光送信モジュールの信号線路の一例を示す斜視図である。
[図6] 実施の形態1による光送信モジュールの作用を説明するための線図である。
[図7] 実施の形態2による光送信モジュールの概略構成を示すブロック図である。
[図8] 実施の形態3による光送信モジュールの作用を説明するための線図である。
[図9] 実施の形態4による光送信モジュールの作用を説明するための線図である。
[図10] 実施の形態5による光送信モジュールの要部の概略構成を示すブロック図である。
[図11] 実施の形態6による光送信モジュールの要部の概略構成を示すブロック図である。
[図12] 実施の形態7による光送信モジュールの作用を説明するための線図である。

発明を実施するための形態

[0010]
 図1は実施の形態1による光送信モジュールの概略構成を示すブロック図である。多波長集積レーザモジュール5には、波長が異なるレーザ光を出力するレーザ素子6a、レーザ素子6b、レーザ素子6c、およびレーザ素子6dが並べて配置されている。以降、各レーザ素子をまとめて、あるいは一つのレーザ素子を代表としてレーザ素子6と記載することもある。各レーザ素子には、例えばレーザ発振素子であるDFBレーザ素子と、DFBレーザ素子から発生されたレーザ光を変調するための電界吸収型光変調器が集積され、電界吸収型光変調器に変調用の電気信号を印加することにより、各レーザ素子から変調された光が出力される。基板3には、レーザ素子6a、レーザ素子6b、レーザ素子6c、およびレーザ素子6dに、それぞれ変調のための電気信号を伝送して給電する信号線路4a、信号線路4b、信号線路4c、および信号線路4dが形成されている。以降、各信号線路をまとめて、あるいは一つの信号線路を代表として信号線路4と記載することもある。駆動回路1は、各レーザ素子6に供給する、変調のための電気信号を発生する。駆動回路1から送信された電気信号2は基板3に形成されたそれぞれの信号線路4を通過した後、それぞれのレーザ素子6に印加され、変調された光信号に変換されて光信号7を出力する。
[0011]
 発振波長の異なる複数のレーザ素子6を1枚の半導体基板上に一括形成する場合、発振波長と活性層の利得ピークの波長差(ディチューニング量)が各レーザ素子で異なる。このため、例えば図2に示すように周波数に対する相対利得の大きさが波長によって異なる。ここで、相対利得とは、各周波数における基準電力の電気信号に対するレーザ出力の比を、基準の周波数の電気信号における値を0dBとして表した値であり、図2は、この相対利得を、横軸を電気信号の周波数として表した線図である。図2に示す各レーザ素子の場合、出力されるレーザの波長が、相対的に波長が短い短波長レーザ素子よりも相対的に波長が長い長波長レーザ素子の周波数に対する相対利得のピークが約2dBと大きく、一方、短波長レーザ素子は周波数に対する相対利得のピークは1dB以下と小さく、波長により周波数特性に差異がある。このように、一般に、波長が長い長波長レーザ素子の相対利得のピークは、長波長レーザ素子よりも短い波長の短波長レーザ素子の相対利得のピークよりも大きくなる。周波数に対する相対利得のピークは1dBが望ましいとされており、1dB以上であれば、変調されたレーザの信号波形(アイパターン)におけるオーバーシュートが発生し、相対利得のピークが1dB以下であれば信号波形の鈍りが発生することが懸念される。
[0012]
 発振波長毎に異なる周波数特性を均一化する方法として、例えば図3に示すように、信号線路4の通過損失が大きいものと小さいものを作製し、レーザ素子6の波長が長いほど通過損失の大きい信号線路4を接続し、逆にレーザ素子6の波長が短いほど通過損失の小さい信号線路4を接続する。このようにレーザ素子6と信号線路4を組合せた場合、信号線路を通過する間に、通過損失により電気信号の電力が低下するため、図4に示すように、信号線路を含めた相対利得において、長波長レーザ素子6の利得ピークが大きく低下し、一方で短波長レーザ素子の利得ピークの低下量は小さい。また、相対利得が-3dBとなる周波数である遮断周波数の変化は長波長レーザ素子および短波長レーザ素子とも大きくない。このため、全体として長波長レーザ素子と短波長レーザ素子の周波数特性を近づけることができる。
[0013]
 信号線路4における通過損失量を変える方法としては、信号線路4の物理的な線路長あるいは絶縁基板の比誘電率(εr)を変えて電気長を変える方法、絶縁基板の誘電損失(tanD)を変える方法、駆動回路とレーザ素子6の間にインダクタンスを直列に付加させる方法、駆動回路とレーザ素子6の間にコンデンサを並列に付加させる方法、および信号線路4の線路厚みを変えて抵抗値を変える方法などがある。それぞれについて以降の実施の形態にて説明する。
[0014]
 例えば単位長さ当りの電気信号の通過損失が同一である信号線路4a、信号線路4b、信号線路4c、および信号線路4dの長さ(物理長)を、それぞれLa、Lb、Lc、およびLdとした場合、図1に示すように、La<Lb<Lc<Ldとする。一方、レーザ素子6a、レーザ素子6b、レーザ素子6c、およびレーザ素子6dの発振波長を、それぞれλa、λb、λc、およびλdとした場合、λa<λb<λc<λdとする。レーザ素子6aには信号線路4aにより、レーザ素子6bには信号線路4bにより、レーザ素子6cには信号線路4cにより、レーザ素子6dには信号線路4dにより、それぞれ駆動回路1から電気信号を給電するようにする。このように、単位長さ当りの電気信号の通過損失が同一である同一特性の信号線路を用いた場合、信号線路長が長いほど通過損失が大きくなる。したがって、上述のように、波長が長いレーザ素子ほど、長い信号線路により、駆動回路1からレーザ素子まで電気信号を伝送して給電することで、波長間の周波数に対する信号線路を含めた相対利得を近づけることが可能となる。原理としては信号線路4dの線路長を長くすることによって電気長が長くなり、電気信号の通過損失が大きくなるため、これを相対的に波長が長い長波長のレーザ素子6dに接続することによって、周波数に対する信号線路を含めた相対利得のピークを低下させることが可能となる。一方、信号線路4a、信号線路4b、および信号線路4cの線路長を信号線路4dよりも短くして電気長を短くした場合、電気信号の通過損失が小さいため、それぞれの信号線路を、短波長のレーザ素子6a、レーザ素子6b、およびレーザ素子6cに接続することによって、周波数に対する信号線路を含めた相対利得の低下は、長波長のレーザ素子6dよりも少なくなる。また、、例えば、レーザ素子6bとレーザ素子6cを比較すると、レーザ素子6cの波長が相対的に長く、レーザ素子6bの波長が相対的に短い。したがって、相対的に波長が長いレーザ素子6cには、相対的に長さが長く、電気信号の通過損失が相対的に大きい信号線路4cを接続する。一方、相対的に波長が短いレーザ素子6bには、相対的に長さが短く、電気信号の通過損失が相対的に小さい信号線路4dを接続する。その他のレーザ素子の組み合わせにおいても、波長が異なるレーザ素子に接続されるそれぞれの信号線路の電気信号の通過損失の関係は同様である。
[0015]
 実際に図5Aおよび図5Bに示すような、裏面に導体44を有する絶縁基板43の表面に信号導体41および信号導体42を形成した線路構造の信号線路Aおよび信号線路B(W =W =120μm、S =S =40μm、L =15mm、L =7.5mm、T =T =2μm、εr=21、tanD=0.02)を例として解析を行なったところ、図6に示すような周波数に対する通過損失が得られた。このように損失を含めて線路インピーダンス特性が同じ信号線路を用い、異なる線路長の信号線路を各レーザ素子6と組合せることによって、波長間の周波数に対する信号線路を含めた相対利得を近づけることが可能となる。なお、今回の解析は差動線路にて行なっているが、信号導体が一つの単相線路においても同様の効果が得られる。
[0016]
実施の形態2.
 図1の信号線路およびレーザ素子の配置とは違う構成として、図7のように、複数の信号線路4のうち中央の線路の長さが短くなるように、内側に短い信号線路4bおよび信号線路4cを、外側に長い信号線路4aおよび信号線路4dを配置し、これに対応させて、相対的に波長が短い短波長のレーザ素子6bおよびレーザ素子6cを多波長集積レーザモジュール5の中央部に配置し、相対的に波長が長い長波長のレーザ素子6a、およびレーザ素子6dを多波長集積レーザモジュール5の周辺部に配置するような構成にした。レーザ素子6aには信号線路4aにより、レーザ素子6bには信号線路4bにより、レーザ素子6cには信号線路4cにより、レーザ素子6dには信号線路4dにより、それぞれ駆動回路1から電気信号を給電するようにする。これにより、多波長集積レーザモジュール5が基板3の中央に配置され、レーザモジュールから出射されるレーザ光の位置も中央に配置することができる。信号線路4の線路長の違いによる通過損失と、各レーザ素子6の波長との関係については実施の形態1と同様である。
[0017]
実施の形態3.
 電気長を変えて通過損失を変える方法としては、実施の形態2の線路長を変える方法とは別に、例えば図5Aおよび図5Bに示した、絶縁基板43の表面に信号導体41、42を形成した構造の信号線路において、絶縁基板43の比誘電率(εr)を変える方法がある。絶縁基板43の比誘電率を大きくすることによって信号線路の電気長が長くなり、比誘電率が小さい絶縁基板の信号線路に比較して、同一の物理長における電気信号の通過損失が大きくなる。このため、比誘電率がより大きい絶縁基板を相対的に波長が長い長波長のレーザ素子に接続することによって周波数に対する信号線路を含んだ相対利得のピークを低下させることが可能となる。一方で絶縁基板の比誘電率を小さくして電気長を短くした場合、電気長が長いものと比較すると電気信号の通過損失が小さいため、これを相対的に波長が短い短波長のレーザ素子に接続することによって、周波数に対する相対利得の低下を抑えることができる。
[0018]
 実際に図5Aおよび図5Bに示す線路構造の信号線路Aおよび信号線路B(W =120μm、W =500μm、S =40μm、S =15μm、L =L =15mm、T =T =2μm、εr =21、εr =6、tanD =tanD =0.02)を例として解析を行なったところ、図8に示すような周波数に対する通過損失が得られた。このように、異なる比誘電率の線路と波長が異なる各レーザ素子6を組合せることによって波長間の周波数特性を近づけることが可能となる。なお、今回の解析は差動線路にて行なっているが、信号導体が一つの単相線路においても同様の効果が得られる。
[0019]
実施の形態4.
 信号線路4の通過損失を直接変える方法としては、例えば図5Aおよび図5Bに示した、絶縁基板43の表面に信号導体41、42を形成した構造の信号線路において、信号線路において、絶縁基板43の誘電損失(tanD)を変える方法がある。絶縁基板43の誘電損失を大きくすることによって、電気信号の通過損失が大きくなるため、誘電損失が大きい絶縁基板を用いた信号線路を相対的に波長が長い長波長のレーザ素子に接続することによって、周波数に対する信号線路を含んだ相対利得のピークを低下させることが可能となる。一方で絶縁基板43の誘電損失を小さくした場合、誘電損失が大きい絶縁基板43の信号線路と比較して電気信号の通過損失が小さいため、これを相対的に波長が短い短波長のレーザ素子6に接続することによって、周波数に対する信号線路を含んだ相対利得の低下が少なくなる。
[0020]
 実際に図5に示す線路構造の信号線路Aおよび信号線路B(W =W =120μm、S =S2=40μm、L =L =15mm、T =T =2μm、εr =εr =21、tanD =0.02、tanD =0.01)を例として解析を行なったところ、図9に示すような周波数に対する通過損失が得られた。このように異なる誘電損失の信号線路と波長が異なる各レーザ素子を組合せることによって波長間の周波数特性を近づけることが可能となる。なお、今回の解析は差動線路にて行なっているが、信号導体が一つの単相線路においても同様の効果が得られる。
[0021]
実施の形態5.
 信号線路4の通過損失を直接変える方法としては、実施の形態4の誘電損失を変える方法とは別に、図10に示すように、駆動回路1とレーザ素子6の間にインダクタンス(L)60を直列に付加する方法がある。なお、図10は、例として信号線路4に差動線路を用いた場合を示している。直列に付加したインダクタンス60の値が大きいほど電気信号の通過損失が大きくなるため、これを相対的に波長が長い長波長のレーザ素子に接続することによって周波数に対する信号線路およびインダクタンスを含んだ相対利得のピークを低下させることが可能となる。一方で、相対的に波長が短い短波長のレーザ素子には長波長のレーザ素子に接続したインダクタンス60の値よりも小さい値のインダクタンス60を接続、あるいはインダクタンスを接続しないことによって周波数に対する信号線路およびインダクタンスを含んだ相対利得の低下が少なくなる。このような組合せを行なうことによって波長間の周波数特性を近づけることができる。
[0022]
実施の形態6.
 信号線路4の通過損失を直接変える方法としては、実施の形態4の誘電損失を変える方法、および実施の形態5の駆動回路1とレーザ素子6の間にインダクタンス(L)を直列に付加する方法とは別に、図11に示すように、レーザ素子6にコンデンサ(C)61を並列に付加する方法がある。なお、図11は、例として信号線路4に差動線路を用いた場合を示している。並列に付加したコンデンサ61の容量が大きいほど電気信号の通過損失が大きくなるため、これを相対的に波長が長い長波長のレーザ素子6に接続することによって周波数に対する相対利得のピークを低下させることが可能となる。一方で相対的に波長が短い短波長のレーザ素子6には長波長のレーザ素子6に接続したコンデンサ61の容量よりも小さいものを接続、あるいはコンデンサを接続しないことによって周波数に対する相対利得の低下を少なくすることができる。このような組合せを行なうことによって波長間の周波数特性を近づけることができる。
[0023]
実施の形態7.
 信号線路4の通過損失を変える方法としては、信号線路の信号導体の単位長さ当りの抵抗値を変える方法がある。例えば図5Aおよび図5Bに示した、絶縁基板43の表面に信号導体41、42を形成した構成の信号線路において、信号導体41および信号導体42の厚みを変えることで、信号線路の単位長さ当りの抵抗値を変えることができる。信号導体41および信号導体42の厚みを薄くすることによって、電気信号の通過損失が大きくなるため、厚みがより薄い信号導体を有する信号線路を相対的に波長が長い長波長のレーザ素子6に接続することによって周波数に対する信号線路を含んだ相対利得のピークを低下させることが可能となる。一方で信号導体の厚みを厚くした場合、厚みが薄いものと比較して電気信号の通過損失が小さいため、これを相対的に波長が短い短波長のレーザ素子6に接続することによって、周波数に対する相対利得の低下は少なくなる。
[0024]
 実際に図5に示す線路構造の信号線路Aおよび信号線路B(W =120μm、W =500μm、S =40μm、S =70μm、L =L =15mm、T =2μm、T =20μm、εr =εr =21、tanD =tanD =0.02)を例として解析を行なったところ、図12に示すような周波数に対する通過損失が得られた。このように信号導体の厚みが異なる信号線路と波長が異なる各レーザ素子6を組合せることによって波長間の周波数特性を近づけることが可能となる。なお、今回の解析は差動線路にて行なっているが、信号導体が一つの単相線路においても同様の効果が得られる。
[0025]
 本願には、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

符号の説明

[0026]
1 駆動回路、2 電気信号、4、4a、4b、4c、4d 信号線路、5 多波長集積レーザモジュール、6、6a、6b、6c、6d レーザ素子、41、42 信号導体、43 絶縁基板、60 インダクタンス、61 コンデンサ

請求の範囲

[請求項1]
 発振波長が異なり、変調が可能な複数のレーザ素子と、
前記複数のレーザ素子のそれぞれのレーザ素子の光出力を変調するための電気信号を発生する駆動回路と、
前記駆動回路から前記複数のレーザ素子のそれぞれのレーザ素子に前記電気信号を伝送する、複数の信号線路とを備えた光送信モジュールにおいて、
前記駆動回路から、前記複数のレーザ素子のうち発振波長が長いレーザ素子までの前記電気信号の通過損失が、前記駆動回路から、前記複数のレーザ素子のうち発振波長が短いレーザ素子までの電気信号の通過損失に比べて大きいことを特徴とする光送信モジュール。
[請求項2]
 前記複数の信号線路のそれぞれの信号線路の物理長が異なることにより、前記電気信号の通過損失が、前記それぞれの信号線路で異なることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
[請求項3]
 前記複数のレーザ素子が、多波長集積レーザモジュールの内部に並べて配置されており、発振波長が短いレーザ素子が、前記多波長集積レーザモジュールの中央部に配置され、発振波長が長いレーザ素子が、前記多波長集積レーザモジュールの周辺部に配置されたことを特徴とする請求項2に記載の光送信モジュール。
[請求項4]
 前記複数の信号線路は、絶縁基板の表面に信号導体が形成されることにより構成されており、前記複数の信号線路のそれぞれの信号線路における前記絶縁基板の比誘電率が異なることにより、前記電気信号の通過損失が、前記それぞれの信号線路で異なることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
[請求項5]
 前記複数の信号線路は、絶縁基板の表面に信号導体が形成されることにより構成されており、前記複数の信号線路のそれぞれの信号線路における前記絶縁基板の誘電損失が異なることにより、前記電気信号の通過損失が、前記それぞれの信号線路で異なることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
[請求項6]
 前記複数の信号線路は、絶縁基板の表面に信号導体が形成されることにより構成されており、前記複数の信号線路のそれぞれの信号線路における前記信号導体の単位長さ当りの抵抗値が異なることにより、前記電気信号の通過損失が、前記それぞれの信号線路で異なることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
[請求項7]
 前記駆動回路から前記複数のレーザ素子のそれぞれのレーザ素子までの間に、前記それぞれのレーザ素子と直列にインダクタンスが接続され、前記それぞれのレーザ素子に接続されるインダクタンスの値が異なることにより、前記駆動回路から前記それぞれのレーザ素子までの前記電気信号の通過損失が異なることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
[請求項8]
 前記複数のレーザ素子のそれぞれのレーザ素子と並列にコンデンサが接続され、前記それぞれのレーザ素子に接続されるコンデンサの容量の値が異なることにより、前記駆動回路から前記それぞれのレーザ素子までの前記電気信号の通過損失が異なることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]