JP2017194577A - 光モジュール及び光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】製造し易く、製造コストを低減することのできる光モジュール及び光伝送システムを提供する。
【解決手段】光モジュール１は、複数の発光素子２と、複数の光導波路３１と、光結合部３２とを備える。複数の発光素子２は、電気信号を入力されることにより、各々固有の振幅を有する複数の光信号を個別に出力する。複数の光導波路３１は、複数の発光素子２と個々に光学的に結合する。光結合部３２は、複数の光導波路３１を１つの光伝送路３３に光学的に結合し、光伝送路３３に複数の光信号を重ね合わせた伝送信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュール及び光伝送システムに関し、より詳細には、光信号を伝送する光モジュール及び光伝送システムに関する。

従来、光の光強度を複数の離散的な値に変調する多値光強度変調器が知られており、たとえば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の多値光強度変調器は、分岐器と、２つのアーム導波路と、合波器とを有する複数のマッハツェンダー変調器を直接接続して構成されている。

分岐器は、入力された光を所定の分岐比で２つに分岐する。２つのアーム導波路は、分岐器で分岐した２つの光をそれぞれ導波すると共に位相差を与える。合波器は、位相差を有する２つの光を干渉させて所定の結合比で出力する。この多値光強度変調器は、出力される光の光強度を多値の離散的な値に制御する。

特開２０１５−１１４３７３号公報

しかしながら、上記従来例の多値光強度変調器（光モジュール）では、出力される光（伝送信号）の光強度の多値化を実現するために、分岐器で分岐した２つの光に位相差を与えている。このため、従来例の光モジュールでは、光の位相が変化しないように、アーム導波路（光導波路）をシングルモード導波路で設計する必要がある。

したがって、従来例の光モジュールは、設計に高度な技術を要求されることから製造が容易ではなく、設計の困難さに伴って製造コストも大きくなるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされており、製造し易く、製造コストを低減することのできる光モジュール及び光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の形態の光モジュールは、複数の発光素子と、複数の光導波路と、光結合部とを備える。前記複数の発光素子は、電気信号を入力されることにより、各々固有の振幅を有する複数の光信号を個別に出力する。前記複数の光導波路は、前記複数の発光素子と個々に光学的に結合する。前記光結合部は、前記複数の光導波路を１つの光伝送路に光学的に結合し、前記光伝送路に前記複数の光信号を重ね合わせた伝送信号を出力する。

本発明の第２の形態の光モジュールは、第１の形態において、前記複数の光導波路は、互いに伝送損失が同じになるように構成されていることが好ましい。

本発明の第３の形態の光モジュールは、第１又は第２の形態において、前記複数の光信号の各々の基準値に対する振幅の比を一定に維持する調整部を備えることが好ましい。

本発明の第４の形態の光モジュールは、第３の形態において、前記調整部は、前記複数の発光素子を駆動する駆動回路を含むことが好ましい。

本発明の第５の形態の光モジュールは、第３又は第４の形態において、前記調整部は、前記複数の光導波路のうちの少なくとも１つの伝送損失を調整する導波路調整機構を含むことが好ましい。

本発明の第６の形態の光モジュールは、第３〜第５の形態において、前記調整部は、前記複数の発光素子のうちの少なくとも１つの出力特性を調整する素子調整機構を含むことが好ましい。

本発明の第７の形態の光伝送システムは、第１〜第６のいずれかの形態の光モジュールと、前記光モジュールの出力する前記伝送信号を受光して電気信号に変換する受光素子とを備える。

本発明は、各々固有の振幅を有する複数の光信号を重ね合わせることで、伝送信号の光強度の多値化を実現している。したがって、本発明は、光導波路をシングルモード導波路で設計する必要がないため、製造し易く、製造コストを低減することができる。

図１は、本発明の実施形態１に係る光モジュール及び光伝送システムの全体概略図である。 図２は、同上の光モジュールの斜視図である。 図３Ａは、同上の光モジュールにおいて、構成を一部省略した斜視図である。図３Ｂは、同上の光モジュールにおいて、コアと光ケーブルとの境界の平面図である。 図４は、同上の光モジュールの断面図である。 図５Ａは、比較例の光モジュールの平面図である。図５Ｂは、比較例の光モジュールにおいて、発光素子の駆動電流と光強度との相関図である。図５Ｃは、比較例の光モジュールと受光モジュールとの通信の品質を表すアイパターンの波形図である。 図６は、本発明の実施形態１の光モジュールと受光モジュールとの通信の品質を表すアイパターンの波形図である。 図７は、本発明の実施形態１の変形例１に係る光モジュールの平面図である。 図８Ａは、本発明の実施形態１の変形例２に係る光モジュールの平面図である。図８Ｂは、同上の光モジュールの他の構成を示す平面図である。 図９は、本発明の実施形態１の変形例３に係る光モジュールの平面図である。 図１０Ａは、本発明の実施形態２に係る光モジュール及び光伝送システムの全体概略図である。図１０Ｂは、同上の光モジュールの断面図である。 図１１は、同上の光伝送システムにおいて、温度調整部の配置を変更した例を示す全体概略図である。 図１２は、同上の光モジュールにおいて、溝を設けた例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態１，２に係る光モジュール及び光伝送システムについて説明する。ただし、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は下記の実施形態に限定されることはなく、これらの実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

また、以下では、後述する複数の発光素子２_１，２_２，…をとくに区別しない場合、複数の発光素子２_１，２_２，…の各々を「発光素子２」という。また、以下では、後述する複数の光導波路３１_１，３１_２，…をとくに区別しない場合、複数の光導波路３１_１，３１_２，…の各々を「光導波路３１」という。また、以下では、後述する複数の光結合部３２_１，３２_２，３２_３をとくに区別しない場合、複数の光結合部３２_１，３２_２，３２_３の各々を「光結合部３２」という。さらに、以下では、後述する複数の駆動回路４_１，４_２をとくに区別しない場合、複数の駆動回路４_１，４_２の各々を「駆動回路４」という。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る光モジュール１は、図１に示すように、複数の発光素子２と、複数の光導波路３１と、光結合部３２とを備えている。複数の発光素子２は、電気信号を入力されることにより、各々固有の振幅を有する複数の光信号を個別に出力する。複数の光導波路３１は、複数の発光素子と個々に光学的に結合する。光結合部３２は、複数の光導波路３１を１つの光伝送路３３に光学的に結合し、光伝送路３３に複数の光信号を重ね合わせた伝送信号を出力する。

また、本実施形態の光伝送システム１００は、図１に示すように、光モジュール１と、光モジュール１の出力する伝送信号を受光して電気信号に変換する受光素子８１とを備えている。

以下、本実施形態の光モジュール１及び光伝送システム１００について詳細に説明する。以下では、図１において、駆動回路４_１，４_２が並ぶ方向を上下方向とし、駆動回路４_２から見て駆動回路４_１側を上方、その逆を下方として説明する。また、以下では、図１において、駆動回路４_１と後述する光学部材３とが並ぶ方向を左右方向とし、駆動回路４_１から見て光学部材３側を右方、その逆を左方として説明する。さらに、以下では、図２において、駆動回路４_１と後述するマウント基板５とが並ぶ方向を前後方向とし、マウント基板５から見て駆動回路４_１側を前方、その逆を後方として説明する。

なお、図１、図２、及び図３Ａには、これらの方向（上、下、左、右、前、後）を表す矢印を示すが、これらの矢印は、単に説明を補助する目的で記載しているに過ぎず、実体を伴わない。また、上記の方向の規定は、本実施形態の光モジュール１及び光伝送システム１００の使用形態を限定する趣旨ではない。

本実施形態の光伝送システム１００は、図１に示すように、複数（ここでは、４つ）の送信系統Ａ１１〜Ａ１４を有する光モジュール１と、複数（ここでは、４つ）の受信系統Ｂ１１〜Ｂ１４を有する受光モジュール８とを備えている。複数の送信系統Ａ１１〜Ａ１４と複数の受信系統Ｂ１１〜Ｂ１４とは、１対１に対応している。たとえば、送信系統Ａ１１から伝送される信号は、受信系統Ｂ１１で受信される。つまり、本実施形態の光伝送システム１００は、多チャンネル（ここでは、４チャンネル）の信号の伝送が可能である。伝送する信号は、たとえば映像信号である。

ここで、複数の送信系統Ａ１１〜Ａ１４は、いずれも同じ構成である。また、複数の受信系統Ｂ１１〜Ｂ１４は、いずれも同じ構成である。したがって、以下では、複数の送信系統Ａ１１〜Ａ１４をとくに区別しない場合、複数の送信系統Ａ１１〜Ａ１４の各々を「送信系統Ａ１」という。また、以下では、複数の受信系統Ｂ１１〜Ｂ１４をとくに区別しない場合、複数の受信系統Ｂ１１〜Ｂ１４の各々を「受信系統Ｂ１」という。

本実施形態の光伝送システム１００では、光モジュール１は、送信系統Ａ１において、入力された電気信号を光信号に変換し、光ケーブル７を介して光信号を受光モジュール８に伝送する。以下では、光ケーブル７を伝搬する光信号を「伝送信号」という。そして、受光モジュール８は、送信系統Ａ１に対応する受信系統Ｂ１において、光ケーブル７を伝搬してきた伝送信号を受光し、受光した伝送信号を電気信号に変換する。このように、本実施形態の光伝送システム１００は、光モジュール１に電気信号として入力された信号を、伝送信号（光信号）を利用して受光モジュール８に伝送し、受光モジュール８から電気信号として出力することができる。

以下、本実施形態の光伝送システム１００の各部について詳細に説明する。本実施形態の光モジュール１は、図１に示すように、複数の送信系統Ａ１と、２つの駆動回路４_１，４_２と、マウント基板５と、サブマウント基板６とを備えている。複数の送信系統Ａ１は、それぞれ複数（ここでは、２つ）の発光素子２_１，２_２と、光学部材３とを備えている。

発光素子２は、半導体レーザ（レーザダイオード）である垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）で構成されている。もちろん、発光素子２は、ＶＣＳＥＬ以外の半導体レーザや、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）などで構成されていてもよい。

発光素子２は、駆動回路４から与えられる電気信号を光信号に変換して出力するように構成されている。本実施形態では、発光素子２の後面が発光面２０となっている（図４参照）。そして、複数の発光素子２は、各々固有の振幅を有する複数の光信号を個別に出力するように構成されている。本実施形態では、発光素子２_１の出力する光信号の振幅と、発光素子２_２の出力する光信号の振幅とが互いに異なっている。

複数の光信号の振幅は、たとえば複数の発光素子２がいずれも同じ構成である場合、複数の発光素子２の各々に与える電気信号（駆動電流）を調整することにより、互いに異ならせることが可能である。また、複数の光信号の振幅は、たとえば複数の発光素子２の各々の構造を調整することでも、互いに異ならせることが可能である。具体的には、発光素子２の発光面２０の一部を遮光部材で覆うことで、発光素子２の出力する光信号の光強度（振幅）を調整することが可能である。

光学部材３は、図２、図３Ａ、及び図３Ｂに示すように、複数（ここでは、４つ）のコア３４と、クラッド３５とを備えている。なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、後述する押さえ部材６６等の図示を省略し、光学部材３を簡略化して図示している。コア３４は、たとえば完全フッ素系ポリマーやエポキシ樹脂などの樹脂材料により、Ｙ字状に形成されている。クラッド３５は、たとえばフッ素系ポリマーなどの樹脂材料により、複数のコア３４を覆うように形成されている。コア３４は、その屈折率がクラッド３５の屈折率よりも大きくなるように構成されている。このため、光信号は、コア３４とクラッド３５との境界面で全反射しながら伝搬する。

本実施形態では、コア３４は、後述するサブマウント基板６の第１凹部６１に設けられている。また、クラッド３５は、第１凹部６１を埋めるように設けられることで、複数のコア３４を封止している。そして、サブマウント基板６の前面には、シリコン酸化膜が形成されている。したがって、サブマウント基板６のシリコン酸化膜がコア３４の後側においてクラッド３５と同等の機能を果たすように、コア３４の屈折率は、シリコン酸化膜を構成する二酸化ケイ素（SiO₂）の屈折率よりも大きくなっている。また、クラッド３５の屈折率は、二酸化ケイ素の屈折率と略同じになっている。つまり、本実施形態では、サブマウント基板６の一部も光学部材３に含まれている。

複数の送信系統Ａ１の各々において、１つのコア３４とクラッド３５とは、複数（ここでは、２つ）の光導波路３１_１，３１_２と、光結合部３２と、光伝送路３３とを構成している（図１参照）。たとえば、複数のコア３４のうち最も上側に位置するコア３４とクラッド３５とは、送信系統Ａ１１の光導波路３１_１，３１_２と、光結合部３２と、光伝送路３３とを構成している。

光導波路３１_１の第１端（左端）は、発光素子２_１の発光面２０と光学的に結合している。光導波路３１_１は、発光素子２_１の出力する光信号を導波する。光導波路３１_２の第１端（左端）は、発光素子２_２の発光面２０と光学的に結合している。光導波路３１_２は、発光素子２_２の出力する光信号を導波する。

光結合部３２は、光導波路３１_１の第２端（右端）と、光導波路３１_２の第２端（右端）と光学的に結合している。また、光結合部３２は、光伝送路３３の第１端（左端）と光学的に結合している。したがって、光導波路３１_１を伝搬してきた光信号と、光導波路３１_２を伝搬してきた光信号とは、光結合部３２にて重なり合う。言い換えれば、光導波路３１_１，３１_２の各々を伝搬してきた光信号が、光結合部３２にて足し合わされる。つまり、光結合部３２は、複数の光信号が重なり合うように、複数の光導波路３１を結合している。そして、光結合部３２にて重なり合った光信号（伝送信号）は、光伝送路３３に伝搬する。

光伝送路３３の第２端（右端）は、後述する光ケーブル７の光ファイバ７１の第１端（左端）と光学的に結合している。したがって、光伝送路３３を伝搬してきた伝送信号は、光ケーブル７に伝搬し、受光モジュール８へと伝送される。

駆動回路４は、２値伝送に対応するドライバＩＣ（Integrated Circuit）である。つまり、駆動回路４は、発光素子２に電気信号を与えることで発光素子２を駆動し、発光素子２の出力する光信号の光強度を２段階に変化させるように構成されている。本実施形態では、駆動回路４は、ＶＣＳＥＬドライバ（レーザダイオードドライバ）である。もちろん、駆動回路４をＶＣＳＥＬドライバに限る趣旨ではない。本実施形態では、駆動回路４_１は、４つの送信系統Ａ１１〜Ａ１４のうちの２つの送信系統Ａ１１，Ａ１２の各々の発光素子２_１，２_２に電気信号を与えるように構成されている。また、駆動回路４_２は、残りの２つの送信系統Ａ１３，Ａ１４の各々の発光素子２_１，２_２に電気信号を与えるように構成されている。

駆動回路４は、外部から入力される２値信号に応じた電気信号を、複数の発光素子２に与えるように構成されている。本実施形態では、２ビットの「００」相当を表す２種の２値信号が駆動回路４に入力されると、駆動回路４は、発光素子２_１，２_２の各々に電気信号を与えることにより、発光素子２_１，２_２の各々から光強度「０」の光信号を出力させる。

ここで、光強度「０」は、発光素子２が出力する光信号の光強度を正規化した数値を表している。したがって、光強度「０」は、必ずしも発光素子２の出力が無いことを意味するわけではない。つまり、光強度「０」であっても、発光素子２から光信号は出力されている。

また、２ビットの「１１」相当を表す２種の２値信号が駆動回路４に入力されると、駆動回路４は、発光素子２_１，２_２の各々に電気信号を与えることにより、発光素子２_１から光強度「０．５」の光信号を出力させ、発光素子２_２から光強度「１．０」の光信号を出力させる。

つまり、本実施形態では、発光素子２_１は、光強度を「０」と「０．５」との２段階に変化可能な光信号を出力するように構成されている。また、発光素子２_２は、光強度を「０」と「１．０」との２段階に変化可能な光信号を出力するように構成されている。したがって、発光素子２_１の光信号の振幅と、発光素子２_２の光信号の振幅との比は、略「１：２」である。

マウント基板５は、たとえばガラスエポキシ基板や紙フェノール基板などのプリント基板で構成されている。なお、マウント基板５は、上記のようなリジッド基板に限らない。たとえばマウント基板５の少なくとも一部は、フレキシブルプリント基板（Flexible Printed Circuits：ＦＰＣ）を用いて構成されていてもよい。マウント基板５の前面には、２つの駆動回路４_１，４_２と、サブマウント基板６とが搭載されている。

サブマウント基板６は、たとえばシリコン基板で構成されている。サブマウント基板６の前面には、図２及び図３Ａに示すように、発光体２Ａが実装されている。発光体２Ａは、複数の発光素子２を上下方向に並べて１つのパッケージに収めて構成されている。具体的には、発光体２Ａは、発光素子２の発光面２０を後方（サブマウント基板６側）に向け、バンプ６０を介してサブマウント基板６及び光学部材３に跨る形でフリップチップ実装されている（図４参照）。

サブマウント基板６には、図３Ａに示すように、たとえばエッチング等の加工により、第１凹部６１と、第２凹部６２とが形成されている。第１凹部６１の底面（前面）には、複数のコア３４が上下方向に並んで配置されている。また、第１凹部６１は、クラッド３５で埋められている。

図４に示すように、第１凹部６１の内側面のうちの発光素子２の発光面２０と対向する部位は、ミラー６１１を構成している。ミラー６１１は、発光面２０から出力される光（光信号）をコア３４の一端（左端）に向けて反射するように、サブマウント基板６の前面に対して４５度の角度で傾斜している。ミラー６１１は、たとえば金属メッキ（ここでは、金（Au）メッキ）により形成されている。また、ミラー６１１は、サブマウント基板６がシリコン基板で構成されている場合には、サブマウント基板６の表面を鏡面加工することにより形成されていてもよい。

サブマウント基板６の前面において、第１凹部６１の左側には、複数対（ここでは、８対）のパッド電極６３が上下方向に並んで設けられている。複数対のパッド電極６３は、それぞれ対応する発光素子２の１対の入力電極に電気的に接続されている。たとえば、複数対のパッド電極６３のうちの最も上側に位置する１対のパッド電極６３は、発光素子２_１の１対の入力電極に電気的に接続されている。また、複数対のパッド電極６３は、複数対（ここでは、８対）のワイヤ６４により、それぞれ対応する駆動回路４に電気的に接続されている。たとえば、複数対のパッド電極６３のうちの最も上側に位置する１対のパッド電極６３は、１対のワイヤ６４により、駆動回路４_１に電気的に接続されている。

第２凹部６２は、サブマウント基板６の前面において、第１凹部６１の右側に設けられている。第２凹部６２には、複数（ここでは、４本）の光ケーブル７の一端（左端）が上下方向に並んで収められている。複数の光ケーブル７は、第２凹部６２に収められた状態で、それぞれ光ファイバ７１の一端（左端）が対応するコア３４の一端（右端）と光学的に結合する位置に配置される。また、第２凹部６２の底面（前面）には、１対の位置決め部材６５が形成されている。１対の位置決め部材６５は、複数の光ケーブル７を挟んだ上下両側に形成されている。複数の光ケーブル７は、１対の位置決め部材６５に挟まれることにより、位置決めされる。

サブマウント基板６の前面には、第２凹部６２の上下両側に跨るように、押さえ部材６６が接着剤６６１により固定されている。押さえ部材６６は、たとえばガラス製であって板状に形成されている。複数の光ケーブル７の一端（左端）は、押さえ部材６６とサブマウント基板６とに挟まれることにより、第２凹部６２内で固定されている。

光ケーブル７は、光ファイバ７１と、光ファイバ７１を覆う被覆７２とで構成されている。光ケーブル７は、光モジュール１の送信系統Ａ１と、受光モジュール８の受信系統Ｂ１とを光学的に結合する。具体的には、光ケーブル７は、送信系統Ａ１の複数の発光素子２と、受信系統Ｂ１の受光素子８１とを光学的に結合する。本実施形態では、複数（ここでは、４本）の光ケーブル７が、それぞれ対応する送信系統Ａ１と受信系統Ｂ１とを光学的に結合している。たとえば、複数の光ケーブル７のうちの最も上側に位置する光ケーブル７は、送信系統Ａ１１と受信系統Ｂ１１とを光学的に結合している。

受光モジュール８は、図１に示すように、複数の受信系統Ｂ１と、増幅回路８３と、マウント基板８４と、サブマウント基板８５とを備えている。複数の受信系統Ｂ１は、それぞれ受光素子８１と、光導波路８２とを備えている。

受光素子８１は、たとえばフォトダイオード（Photo Diode）などの光検出器（Photo Detector：ＰＤ）で構成されている。受光素子８１は、受光した伝送信号（光信号）を電気信号に変換し、増幅回路８３に出力するように構成されている。

光導波路８２は、サブマウント基板８５にコア及びクラッドを設けることにより構成されている。光導波路８２は、光モジュール１の光導波路３１とは異なり、分岐していない。つまり、光ケーブル７を伝搬してきた伝送信号は、分岐せずに光導波路８２を介して受光素子８１に入射する。

増幅回路８３は、受光素子８１から出力される電気信号（電流信号）を電圧信号に変換し、電圧信号を増幅して出力するように構成されている。本実施形態では、増幅回路８３は、トランスインピーダンスアンプ（Trans-Impedance Amplifier：ＴＩＡ）を有するＩＣで構成されている。トランスインピーダンスアンプは、受光素子８１から出力されるノイズ電流を低減し、受信感度を高めるためにローパスフィルタを内蔵しているのが好ましい。

マウント基板８４は、光モジュール１のマウント基板５と同様に、たとえばガラスエポキシ基板や紙フェノール基板などのプリント基板で構成されている。マウント基板８４の前面には、増幅回路８３と、サブマウント基板８５とが搭載されている。サブマウント基板８５は、光モジュール１のサブマウント基板６と同様に、たとえばシリコン基板で構成されている。

以下、本実施形態の光モジュール１及び光伝送システム１００の動作について説明する。なお、以下では、４チャンネルのうちの１チャンネルの信号の伝送について説明する。具体的には、以下では、送信系統Ａ１１から出力される伝送信号を受信系統Ｂ１１で受光する場合について説明する。

本実施形態の光モジュール１は、外部から入力される２ビットの情報を表す２種の２値信号に応じて、以下の表１に示すような伝送信号を出力する。表１において、「情報」は、外部から入力される２ビットの情報である。また、「第１光信号」は、発光素子２_１が出力する光信号である。また、「第２光信号」は、発光素子２_２が出力する光信号である。

たとえば、光モジュール１において、２ビットの「０１」相当を表す２種の２値信号が駆動回路４_１に入力されると仮定する。この場合、駆動回路４_１は、発光素子２_１を駆動することで、発光素子２_１から光強度「０．５」の第１光信号を出力させる。また、駆動回路４_１は、発光素子２_２を駆動することで、発光素子２_２から光強度「０」の第２光信号を出力させる。すると、第１光信号と第２光信号とが光結合部３２で重なり合うことで、光強度「０．５」の伝送信号が、光伝送路３３及び光ケーブル７を介して受光モジュール８に伝送される。

受光モジュール８において、受光素子８１は、光ケーブル７を介して伝送される伝送信号を受光し、電気信号（電流信号）に変換する。そして、受光素子８１からの電気信号は、増幅回路８３にて電圧信号に変換され、かつ増幅される。このようにして、増幅回路８３は、光モジュール１に入力される２値信号に応じた電気信号（電圧信号）を出力する。

つまり、本実施形態では、光モジュール１は、２ビットの情報を表す２種の２値信号に応じて、光強度が「０」、「０．５」，「１．０」、「１．５」の４段階で変化可能な伝送信号を出力する。そして、受光モジュール８は、伝送信号の４段階の光強度に応じて、電圧値が４段階に変化可能な電気信号（電圧信号）を出力する。したがって、たとえば受光モジュール８とは別に設けられた判別回路により、増幅回路８３の出力信号の電圧値を判別することで、２ビットの情報が取り出される。このように、本実施形態の光モジュール１は、入力される複数ビット（ここでは、２ビット）の情報を、伝送信号の１パルスにより受光モジュール８に伝送することができる。

ここで、本実施形態の光モジュール１の比較対象として、比較例の光モジュール１０１について説明する。まず、比較例の光モジュール１０１と本実施形態の光モジュール１との相違点について説明する。比較例の光モジュール１０１は、図５Ａに示すように、駆動回路４_１，４_２を備える代わりに、駆動回路４００を備えている。また、比較例の光モジュール１０１は、送信系統Ａ１１〜Ａ１４の各々において、２つの発光素子２_１，２_２を備える代わりに、１つの発光素子２００を備えている。さらに、比較例の光モジュール１０１では、送信系統Ａ１１〜Ａ１４の各々において、発光素子２００と光ケーブル７とが１本の光導波路３００により光学的に結合されている。

複数の送信系統Ａ１の各々において、駆動回路４００は、図５Ｂに示すように、発光素子２００に「Ｉ１」〜「Ｉ４」（Ｉ１＜Ｉ４）の４段階に変化可能な駆動電流を供給するように構成されている。これにより、発光素子２００は、光強度が「ＬＩ１」〜「ＬＩ４」（ＬＩ１＜ＬＩ４）の４段階に変化可能な光信号を出力する。そして、発光素子２００から出力される光信号は、分岐することなく光導波路３００を伝搬し、伝送信号として光ケーブル７を伝搬する。つまり、比較例の光モジュール１０１は、発光素子２００の出力する光信号の光強度を４段階に変化させることで、伝送信号の光強度を４段階に変化させることが可能である。

比較例の光モジュール１０１は、以下の問題点を有している。第１に、比較例の光モジュール１０１は、駆動回路４００をディスクリート部品で構成する必要があるという問題点を有する。というのも、光信号の光強度を多段階（４段階以上）に変化させるように発光素子２００を駆動するための汎用ＩＣが、現状存在しないと考えられるからである。このため、比較例の光モジュール１０１では、駆動回路４００を搭載するためにマウント基板５を大きくしなければならず、小型化を実現し難い。

第２に、比較例の光モジュール１０１は、発光素子２００の出力する光信号の光強度が大きくなる程、光信号のＳＮ比が低下するという問題点を有する。このため、比較例の光モジュール１０１は、受光モジュール８との通信の品質が悪くなる可能性がある。

図５Ｃに、比較例の光モジュール１０１と受光モジュール８との通信の品質を表すアイパターン（eye pattern）の一例を示す。このアイパターンは、受光モジュール８の出力する電気信号（電圧信号）を一定期間、多数サンプリングして重ね合わせることで得られる。また、図５Ｃに示すアイパターンは、受光モジュール８の出力する電気信号の電圧値のうち、伝送信号の光強度「ＬＩ３」、「ＬＩ４」に対応する電圧値を示している。

比較例の光モジュール１０１では、伝送信号の光強度が大きくなる程ＳＮ比が低下するため、図５Ｃに示すように、アイパターンの目（eye）が閉じている、つまりジッタ（Jitter）が大きくなっている。このため、比較例の光モジュール１０１を用いた通信では、受光モジュール８の出力する電気信号の電圧値を判別することが困難となる。つまり、比較例の光モジュール１０１を用いた通信では、伝送信号の光強度の多値化を図ると、受光モジュール８における伝送信号の受信感度が悪くなる可能性が高い。とくに、比較例の光モジュール１０１を用いた通信において、たとえば８値や１６値等の４値以上の伝送信号の光強度の多値化を図ると、受光モジュール８における伝送信号の受信感度が一層悪くなる可能性がある。

これに対して、本実施形態の光モジュール１は、各々固有の振幅を有する複数の光信号を重ね合わせることで、伝送信号の光強度の多値化を実現している。このため、本実施形態の光モジュール１では、複数の発光素子２の各々が出力する光信号の光強度を大きくすることなく、伝送信号の光強度を大きくすることができる。したがって、本実施形態の光モジュール１では、複数の発光素子２の各々が出力する光信号のＳＮ比が低下し難く、これら光信号を重ね合わせた伝送信号のＳＮ比も低下し難い。

図６に、実施形態の光モジュール１と受光モジュール８との通信の品質を表すアイパターンの一例を示す。図６に示すように、本実施形態の光モジュール１を用いた通信では、受光モジュール８の出力する電気信号の電圧値（つまり、伝送信号の光強度）が大きくなっても、アイパターンの目が閉じ難い、つまりジッタが大きくなり難い。このため、本実施形態の光モジュール１を用いた通信では、比較例の光モジュール１０１を用いた通信と比べて、受光モジュール８の出力する電気信号の電圧値を判別し易い。つまり、本実施形態の光モジュール１を用いた通信では、たとえば８値や１６値等の４値以上の伝送信号の光強度の多値化を図っても、受光モジュール８における伝送信号の受信感度が悪くなり難い。

また、本実施形態の光モジュール１では、発光素子２の出力する光信号は、光強度が２段階に変化可能な信号である。つまり、本実施形態の光モジュール１では、汎用ＩＣを駆動回路４として用いることが可能である。このため、本実施形態の光モジュール１では、駆動回路４をディスクリート部品で構成する必要がないため、マウント基板５の大型化を抑えることができ、小型化を図り易い。また、本実施形態の光モジュール１では、専用の駆動回路を設計する必要がないことから、製造コストの低減も図り易い。

さらに、本実施形態の光モジュール１は、特許文献１に記載の多値光強度変調器（光モジュール）と比較して、以下の利点を有している。特許文献１に記載の光モジュールは、各アーム導波路（光導波路）を伝搬する伝送信号の位相がずれないように、光導波路の各々において、伝送信号を単一の伝搬モードで伝送する必要がある。つまり、特許文献１に記載の光モジュールは、光導波路をシングルモード導波路で設計する必要があるので、設計が困難であり製造が容易ではなく、また、設計の困難さに伴って製造コストも増大するという問題がある。

これに対して、本実施形態の光モジュール１では、光導波路３１、光結合部３２、及び光伝送路３３を複数の伝搬モードを有するマルチモード導波路で設計することが可能であり、シングルモード導波路で設計する必要がない。つまり、本実施形態の光モジュール１は、特許文献１に記載の光モジュールと比較して、製造し易く、製造コストを低減することができる。

また、本実施形態の光モジュール１では、複数の光導波路３１は、互いに伝送損失が同じになるように構成されているのが好ましい。つまり、本実施形態の光モジュール１では、複数の光導波路３１は、互いに同じ長さ、同じ形状となるように形成されているのが好ましい。この構成では、複数の光導波路３１の個々の伝送損失を考慮する必要がなく、複数の発光素子２の各々の光信号の振幅を変更するだけで、伝送信号の光強度を容易に変更することができる。

また、本実施形態の光モジュール１では、複数の光導波路３１、光結合部３２、及び光伝送路３３を構成するコア３４及びクラッド３５が、サブマウント基板６に形成されている。そして、サブマウント基板６は、シリコン基板で構成されている。このため、本実施形態の光モジュール１では、半導体プロセスを用いることで、高精度なコア３４及びクラッド３５を形成することが可能である。また、コア３４及びクラッド３５をサブマウント基板６の凹部（第１凹部６１）に形成することができるので、光モジュール１の薄型化を図ることが可能である。なお、コア３４及びクラッド３５をサブマウント基板６に形成するか否かは任意である。

また、本実施形態の光モジュール１では、サブマウント基板６は、発光素子２の発光面２０から出力される光（光信号）をコア３４の一端（左端）に向けて反射するように構成されたミラー６１１を備えている。このため、本実施形態の光モジュール１では、フリップチップ実装により発光素子２をサブマウント基板６に実装することができるので、光モジュール１の小型化や集積化を図ることが可能である。また、本実施形態の光モジュール１では、ミラー６１１を用いることにより、コア３４と、光ケーブル７の光ファイバ７１との光学的な結合を高精度に調整することが可能である。なお、ミラー６１１を用いて発光素子２とコア３４とを光学的に結合するか否かは任意である。たとえば、発光素子２及びコア３４は、ミラー６１１を介さずに光学的に結合されていてもよい。

ところで、本実施形態の光モジュール１において、伝送信号の光強度は、等間隔に変化可能でなくてもよい。たとえば、伝送信号の光強度が４段階に変化可能である場合、伝送信号の光強度は、「０」、「１」、「３」、「７」といったように不均一な間隔で変化可能であってもよい。

また、本実施形態の光モジュール１では、光導波路３１の一部が発光素子２と一体に構成されていてもよい。この構成では、サブマウント基板６にミラー６１１を設ける必要はない。

また、本実施形態の光モジュール１は、４つの送信系統Ａ１１〜Ａ１４を備えており、４チャンネルの伝送信号を送信する構成であるが、この構成に限定する趣旨ではない。たとえば、光モジュール１は、１つの送信系統Ａ１のみを備えて、１チャンネルの伝送信号を送信する構成であってもよい。また、光モジュール１は、２つ又は３つの送信系統Ａ１を備えて、２チャンネル又は３チャンネルの伝送信号を送信する構成であってもよい。さらに、光モジュール１は、５つ以上の送信系統Ａ１を備えて、５チャンネル以上の伝送信号を送信する構成であってもよい。

＜変形例１＞
以下、実施形態１の変形例１の光モジュール１１について図７を用いて説明する。ただし、以下では、実施形態１の光モジュール１と共通する構成については説明を省略する。また、図７では、駆動回路４の図示を省略している。

本変形例の光モジュール１１は、図７に示すように、１つの送信系統Ａ１を備えている。そして、送信系統Ａ１は、３つの発光素子２_１，２_２，２_３と、３つの光導波路３１_１，３１_２，３１_３と、光結合部３２と、光伝送路３３とを備えている。３つの光導波路３１_１，３１_２，３１_３は、それぞれ３つの発光素子２_１，２_２，２_３の発光面２０と光学的に結合している。また、光結合部３２は、３つの光導波路３１_１，３１_２，３１_３を結合している。

以下、本変形例の光モジュール１１の動作について説明する。本変形例の光モジュール１１は、外部から入力される３ビットの情報を表す３種の２値信号に応じて、以下の表２に示すような伝送信号を出力する。表２において、「情報」は、外部から入力される３ビットの情報である。また、「第１光信号」、「第２光信号」、「第３光信号」は、それぞれ発光素子２_１，２_２，２_３が出力する光信号である。また、第１光信号、第２光信号、第３光信号の振幅は、それぞれ「０．５」、「１．０」、「２．０」である。

つまり、本変形例の光モジュール１１は、３ビットの情報を表す３種の２値信号に応じて、光強度が「０」、「０．５」、…、「３．５」の８段階で変化可能な伝送信号を出力する。このように、本変形の光モジュール１１は、入力される複数ビット（ここでは、３ビット）の情報を、伝送信号の１パルスにより受光モジュール８に伝送することができる。

ところで、本変形例の光モジュール１１は、第１光信号、第２光信号、第３光信号の振幅をそれぞれ「０．５」、「０．５」、「１．５」にした場合、以下の表３に示すような伝送信号を出力する。

この場合、本変形例の光モジュール１１は、入力される６値の情報を、伝送信号の１パルスにより受光モジュール８に伝送することができる。

＜変形例２＞
以下、実施形態１の変形例２の光モジュール１２について図８Ａを用いて説明する。ただし、以下では、変形例１の光モジュール１１と共通する構成については説明を省略する。また、図８Ａでは、駆動回路４の図示を省略している。

本変形例の光モジュール１２は、図８Ａに示すように、発光素子２_４と、発光素子２_４の発光面２０と光学的に結合する光導波路３１_４とをさらに備えている。したがって、本変形例では、光結合部３２は、４つの光導波路３１_１，３１_２，３１_３，３１_４を結合している。

以下、本変形例の光モジュール１２の動作について説明する。本変形例の光モジュール１２は、外部から入力される４ビットの情報を表す４種の２値信号に応じて、以下の表４及び表５に示すような伝送信号を出力する。表４及び表５において、「情報」は、外部から入力される４ビットの情報である。また、「第４光信号」は、発光素子２_４が出力する光信号である。また、第１光信号、第２光信号、第３光信号、第４光信号の振幅は、それぞれ「０．５」、「１．０」、「２．０」、「４．０」である。

つまり、本変形例の光モジュール１２は、４ビットの情報を表す４種の２値信号に応じて、光強度が「０」、「０．５」、…、「７．５」の１６段階で変化可能な伝送信号を出力する。このように、本変形の光モジュール１２は、入力される複数ビット（ここでは、４ビット）の情報を、伝送信号の１パルスにより受光モジュール８に伝送することができる。

ところで、本変形例の光モジュール１２では、光結合部３２は１つであるが、複数あってもよい。以下、本変形例の光モジュール１２の他の構成として、複数の光結合部３２を備えた光モジュール１３について図８Ｂを用いて説明する。

図８Ｂに示すように、光モジュール１３は、複数（ここでは、３つ）の光結合部３２_１，３２_２，３２_３を備えている。光結合部３２_１は、光導波路３１_１を伝搬してきた光信号と、光導波路３１_２を伝搬してきた光信号とを重ね合わせて、重ね合わせた光信号を１本の光結合路３６１に出力するように構成されている。また、光結合部３２_２は、光導波路３１_３を伝搬してきた光信号と、光導波路３１_４を伝搬してきた光信号とを重ね合わせて、重ね合わせた光信号を１本の光結合路３６２に出力するように構成されている。そして、光結合部３２_３は、光結合路３６１を伝搬してきた光信号と、光結合路３６２を伝搬してきた光信号とを重ね合わせて、重ね合わせた光信号を伝送信号として光伝送路３３に出力するように構成されている。このように、光モジュール１３は、複数の光結合部３２により、段階的に光信号を重ね合わせて伝送信号を出力する構成であってもよい。

＜変形例３＞
以下、実施形態１の変形例３の光モジュール１４について図９を用いて説明する。ただし、以下では、変形例１の光モジュール１１と共通する構成については説明を省略する。また、図９では、駆動回路４の図示を省略している。

本変形例の光モジュール１４は、図９に示すように、発光素子２_１，…，２_ｎと、発光素子２_１，…，２_ｎの発光面２０とそれぞれ光学的に結合する光導波路３１_１，…，３１_ｎとをさらに備えている。したがって、本変形例では、光結合部３２は、ｎ個の光導波路３１_１，…，３１_ｎを結合している。

つまり、本変形例の光モジュール１４は、理論上、入力される複数ビット（ここでは、２^ｎビット）の情報を、伝送信号の１パルスにより受光モジュール８に伝送することができる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２に係る光モジュール１Ａ及び光伝送システム１００Ａについて説明する。ただし、本実施形態の光モジュール１Ａ及び光伝送システム１００Ａの基本的な構成は実施形態１の光モジュール１及び光伝送システム１００と共通しているので、共通する点については説明を省略する。

本実施形態の光モジュール１Ａは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、複数（ここでは、２つ）の調整部９と、監視回路９０とを備えている。

複数の調整部９は、それぞれ複数の光信号の各々の基準値に対する振幅の比を一定に維持するように構成されている。たとえば、発光素子２_１の出力する光信号の振幅を「０．５」、発光素子２_２の出力する光信号の振幅を「１．０」、基準値を「０．５」とする。この場合、複数の調整部９のうちの一方の調整部９は、発光素子２_１の出力する光信号の振幅「０．５」の基準値「０．５」に対する比（１：１）を一定に維持する。また、他方の調整部９は、発光素子２_２の出力する光信号の振幅「１．０」の基準値「０．５」に対する比（２：１）を一定に維持する。ここでは、複数の調整部９は、いずれも温度調整部９１である。

温度調整部９１は、ヒータ９１１と、駆動回路９１２とを備えている。ヒータ９１１は、たとえば薄膜状に形成されたヒータである。本実施形態では、複数（ここでは、２つ）のヒータ９１１は、それぞれ複数（ここでは、２つ）の光導波路３１_１，３１_２に設けられている。つまり、ヒータ９１１は、図１０Ｂに示すように、光導波路３１を構成するクラッド３５の前面に載せられている。駆動回路９１２は、監視回路９０から送信される帰還信号に応じてヒータ９１１を駆動させ、ヒータ９１１の発熱量を変化させように構成されている。

そして、光導波路３１は、ヒータ９１１の発熱により温度が変化することで、コア３４及びクラッド３５の屈折率が変化し、伝送損失が変化する。つまり、本実施形態の光モジュール１Ａにおいて、温度調整部９１は、複数の光導波路３１のうちの少なくとも１つの伝送損失を調整する導波路調整機構である。

ここで、温度調整部９１は、ペルチェ素子と、ペルチェ素子の駆動回路とで構成されていてもよい。この構成では、光導波路３１は、ペルチェ素子により冷却されることで、コア３４及びクラッド３５の屈折率が変化し、伝送損失が変化する。

監視回路９０は、たとえばマウント基板５に設けられ、光伝送路３３から分岐させた光分岐路に光学的に結合されている。監視回路９０は、光伝送路３３を伝搬する伝送信号の光強度をモニタリングする機能を有している。つまり、監視回路９０は、光伝送路３３を介して光分岐路に分岐する伝送信号を光電変換し、伝送信号の光強度に対応する電圧値と、基準となる電圧値とを比較する機能を有している。そして、監視回路９０は、比較結果（差分）に応じた帰還信号を、帰還用の配線を介して対応する温度調整部９１に送信するように構成されている。

以下、本実施形態の光伝送システム１００Ａにおける調整方法の一例について説明する。まず、施工者（又はユーザ）は、複数の発光素子２のうち１つの発光素子２（ここでは、発光素子２_１）を発光させる。すると、監視回路９０は、受光した伝送信号の光強度に対応する電圧値と、基準となる電圧値とを比較する。そして、監視回路９０は、比較結果を帰還信号として発光素子２_１側の温度調整部９１に与える。温度調整部９１の駆動回路９１２は、帰還信号に応じてヒータ９１１を駆動することで、光導波路３１１の伝送損失を調整する。

このようにして、発光素子２_１の出力する光信号の基準値に対する振幅の比が一定に維持される。以下、施工者（又はユーザ）は、複数の発光素子２の全てについて上記の調整を行う。

ここで、上述の光モジュール１，１１〜１４では、発光素子２の個体差や光導波路３１での伝送損失などにより、光結合部３２から出力される伝送信号の２値信号に対応する光強度が、設計時の光強度からずれる可能性がある。

そこで、本実施形態の光モジュール１Ａは、複数の光信号の各々の基準値に対する振幅の比を一定に維持する調整部９をさらに備えている。このため、本実施形態の光モジュール１Ａでは、調整部９により、基準値に対する個々の光信号の振幅の比を調整することができるので、個々の光信号の振幅のずれを調整することができる。つまり、本実施形態の光モジュール１Ａは、伝送信号の２値信号に対応する光強度を、設計時の光強度に等しくなるように維持し易い。なお、調整部９による調整は、光モジュール１Ａの初期設定時に行ってもよいし、光モジュール１Ａの使用中において行ってもよい。

また、本実施形態の光伝送システム１００Ａでは、監視回路９０で、つまり光モジュール１Ａで伝送信号の光強度をモニタリングしているが、受光モジュール８でモニタリングしてもよい。たとえば、受光モジュール８の増幅回路８３は、光伝送路３３を伝搬する伝送信号の光強度をモニタリングする機能を有していてもよい。

この場合、増幅回路８３は、受光した伝送信号の光強度に対応する電圧値と、基準となる電圧値の基準値とを比較するように構成されていればよい。そして、増幅回路８３は、比較結果に応じた帰還信号を、帰還用の配線を介して光モジュール１Ａの対応する温度調整部９１に送信するように構成されていればよい。帰還用の配線は、光ケーブルであってもよいし、電気配線であってもよい。その他、増幅回路８３は、無線により帰還信号を光モジュール１Ａの対応する温度調整部９１に送信する構成であってもよい。なお、光モジュール１Ａに監視回路９０を設けた場合、光モジュール１Ａのみで伝送信号の光強度の調整を行えるので、好ましい。

また、本実施形態の光モジュール１Ａでは、調整部９は、複数の光導波路３１のうちの少なくとも１つの伝送損失を調整する温度調整部（導波路調整機構）９１を含んでいる。このため、本実施形態の光モジュール１Ａは、発光素子２の光出力を変更することなく、伝送信号の光強度の調整が可能である。なお、調整部９が導波路調整機構を含むか否かは任意である。

ここで、図１１に示すように、複数の温度調整部９１は、それぞれ複数の発光素子２の近傍に設けられていてもよい。この構成では、温度調整部９１は、光導波路３１の温度を変化させる代わりに、発光素子２の温度を変化させる。つまり、この構成では、温度調整部９１は、複数の発光素子２のうちの少なくとも１つの出力特性を調整する素子調整機構である。この構成では、調整部９は、光導波路３１の伝送損失を調整する代わりに、発光素子２の光出力を調整することで、伝送信号の光強度を調整する。

つまり、本実施形態の光モジュール１Ａでは、複数の発光素子２のうちの少なくとも１つの出力特性を調整する温度調整部（素子調整機構）９１を含んでいることが好ましい。この構成では、光導波路３１の伝送損失を変更することなく、伝送信号の光強度の調整が可能である。

その他、調整部９は、たとえば図１２に示すように、光導波路３１のコア３４及びクラッド３５に設けられた１乃至複数の溝９２を含んでいてもよい。この構成では、溝９２は、コア３４及びクラッド３５の屈折率を変化させることで、光導波路３１の伝送損失を変化させる。つまり、溝９２は、複数の光導波路３１のうちの少なくとも１つの伝送損失を調整する導波路調整機構に相当する。溝９２は、たとえば光モジュール１Ａの初期設定時に設けるのが好ましい。

また、本実施形態の光モジュール１Ａでは、調整部９は、複数の発光素子２を駆動する駆動回路４を含んでいることが好ましい。つまり、駆動回路４が、帰還信号に応じて複数の発光素子２の各々の光出力を調整するように構成されていてもよい。この構成では、温度調整部９１や溝９２を設けることなく、調整部９の機能を実現することができる。

ところで、本実施形態の光伝送システム１００Ａにおける調整は、上述のように施工者（又はユーザ）が行ってもよいが、定期的に自動で行われてもよい。たとえば、駆動回路４及び監視回路９０（又は増幅回路８３）は、定期的に調整モードに切り替わるように構成されていてもよい。そして、調整モードにおいて、駆動回路４は、複数の発光素子２を１つずつ発光させ、監視回路９０（又は増幅回路８３）に伝送信号の光強度をモニタリングさせてもよい。この構成では、施工者（又はユーザ）が調整作業を行わずに済むため、好ましい。

１，１１，１２，１３，１４，１Ａ 光モジュール
２，２_１，２_２，…，２_ｎ 発光素子
３１，３１_１，３１_２，…，３１_ｎ 光導波路
３２，３２_１，３２_２，３２_３ 光結合部
３３ 光伝送路
４，４_１，４_２ 駆動回路
８１ 受光素子
９ 調整部
９１ 温度調整部（導波路調整機構、素子調整機構）
９２ 溝（導波路調整機構）
１００，１００Ａ 光伝送システム

Claims (7)

1. 電気信号を入力されることにより、各々固有の振幅を有する複数の光信号を個別に出力する複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子と個々に光学的に結合する複数の光導波路と、
   前記複数の光導波路を１つの光伝送路に光学的に結合し、前記光伝送路に前記複数の光信号を重ね合わせた伝送信号を出力する光結合部とを備えることを特徴とする光モジュール。
2. 前記複数の光導波路は、互いに伝送損失が同じになるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
3. 前記複数の光信号の各々の基準値に対する振幅の比を一定に維持する調整部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の光モジュール。
4. 前記調整部は、前記複数の発光素子を駆動する駆動回路を含むことを特徴とする請求項３記載の光モジュール。
5. 前記調整部は、前記複数の光導波路のうちの少なくとも１つの伝送損失を調整する導波路調整機構を含むことを特徴とする請求項３又は４記載の光モジュール。
6. 前記調整部は、前記複数の発光素子のうちの少なくとも１つの出力特性を調整する素子調整機構を含むことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の光モジュール。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光モジュールと、
   前記光モジュールの出力する前記伝送信号を受光して電気信号に変換する受光素子とを備えることを特徴とする光伝送システム。

Images