可変光減衰器を内蔵した光受信器
【課題】小型化が可能で高速な光減衰量の調整が可能な可変光減衰器を内蔵した光受信器を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態による可変減衰器１０２を内蔵した光受信器１００は、光ファイバ１２０からの入射光を集光する集光レンズ１０４と、集光レンズ１０４からの入射光を受光する受光素子１０６とを備える。集光レンズ１０４は、ＭＳＡパッケージ１１０内で収束光学系を形成するように配置され、可変減衰器１０２は、光ファイバ１２０からの入射光の光路を変えて受光素子１０６で受光する光の減衰量を調整するように構成される。これにより、収束光学系を用いることにより、従来のコリメート系と比較して、光受信器の小型化が可能となり、高速に光減衰量を調整できる磁気光学素子やＭＥＭＳ素子などの可変光減衰器を光受信器のデファクト化されたＭＳＡパッケージに内蔵することができる。
【解決手段】本発明の一実施形態による可変減衰器１０２を内蔵した光受信器１００は、光ファイバ１２０からの入射光を集光する集光レンズ１０４と、集光レンズ１０４からの入射光を受光する受光素子１０６とを備える。集光レンズ１０４は、ＭＳＡパッケージ１１０内で収束光学系を形成するように配置され、可変減衰器１０２は、光ファイバ１２０からの入射光の光路を変えて受光素子１０６で受光する光の減衰量を調整するように構成される。これにより、収束光学系を用いることにより、従来のコリメート系と比較して、光受信器の小型化が可能となり、高速に光減衰量を調整できる磁気光学素子やＭＥＭＳ素子などの可変光減衰器を光受信器のデファクト化されたＭＳＡパッケージに内蔵することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変光減衰器を内蔵した光受信器に関する。本発明は、特に、小型化が可能で高速な光減衰量の調整が可能な可変光減衰器を内蔵した光受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光通信ネットワークで用いられる光受信器では、伝送距離の長遠化を実現するために、受信感度の向上を主題として、その開発が行われてきた。特に、微小信号光を光電変換して増幅受信するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ばれる受光素子は、微小信号光の受信に適している。しかしながら、ＡＰＤは、比較的強い信号光が入射すると、受信信号の雑音が増大し、場合によっては受信器が壊れてしまう、すなわち、オーバーロード耐性が低いという問題があった。
【０００３】
実際に、ＡＰＤの絶縁破壊を避けるために、ＡＰＤ受信器内に可変光減衰器（ＶＯＡ）を搭載し、強い信号光が入射したときに、ＶＯＡが信号光の強度を適度に減衰させて、良好な受信状態を実現するＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器も開発されている（非特許文献１）。このＶＯＡは、サーモスタットに用いられるバイメタルを利用して、板が光路を遮るようにしたものである。しかし、現在調達可能なＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器では、内蔵されたＶＯＡ素子の光減衰量の高速調整ができず、その調節に５０ｍｓｅｃ程度の時間を要するという問題があった。
【０００４】
一方、減衰量を１〜数ｍｓｅｃ程度で高速調節できるＶＯＡ素子には、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）を使用したものや（非特許文献２および３）、磁気光学素子を使用したもの（非特許文献４）がある。しかし、これらのＶＯＡは大型であり、図１に一例を示す、１０Ｇｉｇａｂｉｔ−Ｐｅｒ−Ｓｅｃｏｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｍｏｕｎｔ Ｒｅｃｅｉｖｅｒマルチソースアグリーメント（ＭＳＡ）と呼ばれるデファクト化された光受信器のパッケージ内に収容できないという問題があった。そのため、ＡＰＤ受信器とＶＯＡ素子を外部で光ファイバを用いて接続する必要があり、高速に光減衰量を調節しなければならない光受信器や光送受信器の大型化とコスト増大の要因となっていた。なお、図１に示すＭＳＡパッケージの大きさは、幅（Ｗ）８．０ｍｍ、長さ（Ｌ）８．７５ｍｍ、高さ（Ｈ）最大５．０ｍｍである。
【０００５】
【非特許文献１】Eudyna, “10 Gbit/s Receivers with VOA,” ［ｏｎｌｉｎｅ］,［平成２０年２月２１日検索］、インターネット＜URL：http://www.us.eudyna.com/j/products/newproducts/10gbits_receiver_with_voa.html＞
【非特許文献２】諫本、他３名，「ＭＥＭＳ光可変減衰器のためのデバイス実装技術」，エレクトロニクス実装学会誌，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．４，２００６，ｐｐ．２３５−２３９
【非特許文献３】森本、他３名，「ＭＥＭＳ型可変光減衰器の開発」，古河電工時報，第１１１号，ｐｐ．２５−３０
【非特許文献４】古河電工，「可変光アッテネータ」，［ｏｎｌｉｎｅ］，［平成２０年２月２１日検索］、インターネット＜URL：http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pi_opt_voa.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在、波長多重伝送システムと波長ルーティング機構を採用することで光通信ネットワークの大容量化が進められており、次世代光ネットワークでは受信器に入射する信号光の経路（ルート）の高速切り替え（数ｍｓｅｃ程度）が行われる。そのため、次世代光ネットワーク向けの光受信器には、１ｍｓｅｃ程度の高速な信号光強度調整機能を内蔵することが求められている。
【０００７】
本発明は、このような状況の中、上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型化が可能で高速な光減衰量の調整が可能な可変光減衰器を内蔵した光受信器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可変減衰器を内蔵した光受信器であって、光ファイバからの入射光を集光する集光レンズと、前記集光レンズからの入射光を受光する受光素子とを備え、前記集光レンズは、収束光学系を形成するように配置され、前記可変減衰器は、前記入射光の光路を変えて前記受光素子で受光する光の減衰量を調整するように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光受信器であって、前記集光レンズと、前記受光素子との間に光学絞りをさらに備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、前記集光レンズの入射側に位置することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、前記集光レンズの出射側に位置することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、磁気光学素子から構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、透過型ＭＥＭＳ素子から構成されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の光受信器であって、前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の光受信器であって、前記集光レンズおよび前記受光素子は、結像倍率が１から５の範囲内となるように構成されたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の光受信器であって、温度調整手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載の光受信器であって、ＭＳＡパッケージに収容されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、可変光減衰器（ＶＯＡ）の小型化が可能となる。また、高速の可変光減衰器が利用できるので、光減衰量の高速調節と小型化が両立できる。これにより、当該可変光減衰器を内蔵した光受信器の性能向上と低コスト化が実現できる。
【００１９】
具体的には、収束光学系を用いることにより、減衰に必要な光ビームのシフト量が低減され、ＶＯＡの小型化が可能になる。また、収束光学系では、コリメート光学系と異なり、コリメートレンズが必要なくなる。さらに、光学絞りを用いて光ビームのシフト量を減らすことができるので、ＶＯＡのさらなる小型化だけでなく、ＶＯＡに供給する電力の削減にも寄与し、省エネルギー化の観点からも有効である。
【００２０】
また、本発明によれば、可変光減衰器を内蔵した光受信器を、従来の光受信器と同じサイズのパッケージに収容できるので、従来の光受信器と互換性を維持したまま光送受信器の小型化と低コスト化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
減衰量を高速で調節できるＶＯＡ素子には、シリコン製のＭＥＭＳ（Ｓｉ−ＭＥＭＳ）や磁気光学素子を用いたものがあるが、これらの素子は、サイズが大きく、ＭＳＡの光受信器パッケージには収容できない。サイズが大きくなる理由の１つは、コリメート光学系を用いているためである。コリメート光学系の場合、信号光が平行光ビームとなるため、光路長を任意に設計できるというメリットがある。しかしながら、コリメート光学系では、光ファイバから出射された信号光をコリメートレンズを通して、平行光ビームであるコリメート光にした後、コリメート光を集光レンズを通して集光し、受光素子に入射しなければならなない。したがって、コリメート光学系では、ＶＯＡとして必要なスペースだけでなく、光ファイバの出射光をコリメート光に変換するためのコリメートレンズの設置スペースやＶＯＡを透過したコリメート光を集光し、受光素子に入射するための集光レンズの設置スペースが必要になる。
【００２２】
また、磁気光学素子や透過型ＭＥＭＳ素子のように信号光の進行方向を変えずに信号光ビームを平行にシフトさせて信号光を減衰するタイプのＶＯＡをコリメート光学系で用いた場合、図２に示すように、集光レンズ１０の開口数ＮＡ（〜１ｍｍ）の外側までビームをシフトしなければ受光素子１２で受光する信号光の減衰が得られない。そのため、信号光のビーム径（通常数百μｍ）程度のシフト量ΔＸが必要であり、ＶＯＡ素子１４の大型化は避けられない。したがって、コリメート光学系では、高速に減衰量が調節できるＶＯＡとして有力な磁気光学素子および透過型Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子を用いて小型の可変光減衰器内蔵光受信器を実現することは困難である。
【００２３】
一方、図３に示すように、収束光学系を用いると、光学系の結像倍率ｎにより、集光レンズ２０の開口数ＮＡ内の小さな平行シフト量（ΔＸ）をｎ×ΔＸに拡大できる。そのため、信号光の減衰に必要な平行シフト量は、受光素子２２の受光径の１／ｎでよい。ここで、光学系の結像倍率ｎは、集光レンズの焦点距離、レンズの光学系における位置（ＶＯＡ２４と集光レンズ２０との間の距離、集光レンズ２０と受光素子２２との間の距離）などによって決定される。
【００２４】
１０Ｇ級の光通信で一般的なＡＰＤの受光径は２５μｍである。光学系の結像倍率をｎ＝２．５とすると、信号光の減衰に必要な光ビームのシフト量は、２５／２．５＝１０μｍとなり、コリメート光学系に比べて１／１０以下のシフト量でよいことがわかる。また、収束光学系では、コリメート光学系と異なり、コリメートレンズが必要なくなるので、小型化に有利となる。
【００２５】
図４は、収束光学系において、信号光のシフトにより、信号光が減衰される様子を示している。図４（ａ）では、信号光３０の全部が受光素子３２の受光面３４に入射しており、信号光のほぼ１００％が受光されている。一方、図４（ｂ）では、信号光３０の一部が受光素子３２の受光面３４からはみ出し、信号光が減衰されている。このように、信号光のビームをシフトすることにより、収束光学系で信号光を減衰させることができる。
【００２６】
また、図３において、ＶＯＡ２４と受光素子２２の間に受光素子の受光径と同等程度の光学絞りを挿入することで、さらに光ビームのシフト量を減らすことができる。すなわち、光学絞りにより、ＶＯＡ２４からみて受光素子２２の受光径が小さく見えるようにすることによって、実効的に受光径を小さくすることで、所定の減衰量を得るために必要となる光ビームのシフト量を削減することができる。このシフト量の削減は、ＶＯＡとして用いる磁気光学素子および透過型Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子の小型化だけでなく、ＶＯＡ素子に供給する電力の削減にも寄与し、省エネルギー化の観点からも有効である。
【００２７】
本発明では、高速な減衰量調節が可能な磁気光学素子および透過型Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子を収束光学系で用いることにより、高速のＶＯＡ機能と小型化を同時に実現することができる。さらに、ＶＯＡと受光素子の間に光学絞りを挿入し、さらなる小型化および省エネルギー化を実現することができる。また、開発した小型ＶＯＡをＭＳＡ光受信器パッケージ内に搭載し、通常のＭＳＡ光受信器と互換性のあるＶＯＡ内蔵光受信器を実現することができる。
【００２８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、これらの実施形態においては、受光素子としてＡＰＤを例として説明するが、ｐｉｎフォトダイオード（ＰＤ）素子やＭＳＭ素子などその他の受光素子を使用してもよい。
【００２９】
（第１の実施形態）
図５は、本発明の第１の実施形態に係るＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器を一部破断して示す側面図である。この受信器１００は、磁気光学素子を用いたＶＯＡ１０２と、Ｖ溝に固定された集光レンズ１０４と、サブキャリアに搭載された受光素子１０６とをＭＳＡパッケージ１１０内に収容している。受信器１００は、さらに、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、チップ抵抗およびチップ容量などの電気回路部品１０８もＭＳＡパッケージ１１０内に収容している。
【００３０】
本実施形態では、収束光学系を用い、その結像倍率が２．２倍となるように設計されている。また、ＶＯＡ１０２として磁気光学素子を用い、受光素子１０６として受光径２５μｍのＡＰＤ素子を用いた。この磁気光学素子のサイズは、縦３ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ３ｍｍである。
【００３１】
この受信器を組み立てるには、まず上記の部品をパッケージ内に搭載し、導通の必要な端子間をワイヤボンディングで接続する。次に、窒素雰囲気中でパッケージのリッドを溶接し、気密封止する。その後、気密封止のリークチェックを行う。
【００３２】
受信器の組み立て後、調芯工程を行う。図６において、受信器のパッケージ１１０を、光ファイバ１２０、筐体１３０および筐体１４０とともに調芯装置（図示せず）に取り付ける。次に、光ファイバ１２０の光コネクタ１５０をレーザモジュール１６０に接続し、所定の強度の光を光ファイバ１２０に入射する。ＡＰＤと接続されたパッケージのリード１１２に電流計１７０を接続し、ＡＰＤの受光電流が最大になるように、光ファイバ１２０、筐体１３０および筐体１４０の位置を調整する。そして、ＹＡＧレーザを用いて、その位置で光ファイバ１２０、筐体１３０および筐体１４０を溶接し、固定する。
【００３３】
磁気光学素子１０２に無通電の状態では、ＡＰＤ１０６の受光部のほぼ中心に直径２２μｍに拡大された信号光が入射しており、信号光のほぼ１００％が受信されている。磁気光学素子１０２に電流を流すと、その電流量に応じて集光レンズ１０４に入射する光ビームが平行シフトし、ＡＰＤ１０６上では、その平行シフト量の約２．３倍だけシフトした位置に信号光が入射する。そのため、シフト量が１μｍを超えると、信号光ビームがＡＰＤ１０６の受光部からはみ出し、受信信号の減衰が起こる。この減衰量（すなわち、シフト量）は、磁気光学素子の電流値により高速かつ精密に制御することができ、磁気光学素子は高速に応答する可変光減衰器として機能する。
【００３４】
ＶＯＡによる受光素子での光ビームのシフト量は、受光素子の受光径を考慮すると５０μｍ以内が有効である。このシフト量は、ＡＰＤ素子の受光径を結像倍率で割った値に等しい。したがって、ＡＰＤ素子の受光径が１０〜５０μｍ程度であることを考慮すると、結像倍率は１以上５以下となる。さらに、通常用いられるＡＰＤ素子の受光径が２０〜３０μｍ程度であることを考慮すると、結像倍率は１．５以上２．５以下となる。
【００３５】
次に、作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器におけるＶＯＡ部の光減衰特性について説明する。作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器に０．２ｍＷのＣＷ光（直流光もしくは無変調光）を入射し、ＡＰＤ素子の受光電流を測定した。この時、ＡＰＤ素子には増倍率（Ｍ値）が１となるよう１０Ｖの電圧を印加している。Ｍ値＝１では、ＡＰＤ素子の光電気変換効率がおよそ０．９Ａ／Ｗであるため、測定される受光電流値はおよそ１８０μＡである。続いて、入射光強度を減衰させるため、ＶＯＡ部に電圧を印加しながら、受光電流値の変化を測定した。各印加電圧で測定した受光電流値と無電圧時の受光電流値（１８０μＡ）との比を減衰量としてデシベル表示でプロットした結果を図７に示す。ＶＯＡ部への印加電圧の増加とともに、受光電流値は減少し、１Ｖ印加時には無電圧時の１／１０である１８μＡまで現象（図７：−１０ｄＢ）している。さらに、ＶＯＡの印加電圧を１．４Ｖまで増加すると受光電流は、０．５７μＡまで減少（図７：−２５ｄＢ）している、この減衰量は、ＡＰＤ素子を保護し良好な受信状態を得るために必要とされる−２０ｄＢの減衰量を上回っており、実用上充分な減衰量が得られた。また、１．４Ｖ印加時（−２５ｄＢ時）にＶＯＡ素子に流れる電流値は４４ｍＡであり、消費電力も６０ｍＷと極めて小さい。この消費電力の削減は、本発明の収束光学系による光路シフト量の低減によりもたらされており、低消費電力化における本発明の有効性を示している。
【００３６】
次に、作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器１００の性能について説明する。受信器の光コネクタ１５０をレーザモジュール１６０に接続し、１０．７Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ−ＰＲＢＳ２３−１の変調信号で消光比１０ｄＢに変調して、符号誤り率の特性（ＢＥＲ特性）を測定した。図８に、その結果を示す。図中、実線（ａ）は、ＶＯＡが無通電状態（最大透過率）でのＢＥＲ特性であり、点線（ｂ）は、ＶＯＡに１．０Ｖ印加（減衰量１０ｄＢ時）した状態でのＢＥＲ特性である。実線（ａ）では、通常のＡＰＤ受信器と同様に平均受信光強度−５ｄＢｍ近辺で、オーバーロードによる符号誤りが発生している。一方、点線（ｂ）ではＶＯＡによる受信光強度の減衰により、オーバーロードによる符号誤りの発生が＋５ｄＢｍ付近まで高光強度側にシフトしている。この結果は、ＶＯＡによる０〜１０ｄＢの可変光減衰により、ＡＰＤ素子の受信ダイナミックレンジ：２２ｄＢ（−２７ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）が３２ｄＢ（−２７ｄＢｍ〜＋５ｄＢｍ）まで１０ｄＢ拡大できることを示している。
【００３７】
ここでは、図８を基にＶＯＡの印加電圧範囲０〜１．０Ｖの場合を例に受信ダイナミックレンジの１０ｄＢ拡大を説明したが、印加電圧の可変範囲を０〜１．４Ｖまで拡大することで受信ダイナミックレンジの拡大幅を２５ｄＢにできることは、図７の結果より明らかである。
【００３８】
次に、ＶＯＡの光減衰量の電気信号への応答速度を評価した。この評価では、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）の応答速度の影響を排除するために、ＴＩＡを搭載せず、ＡＰＤからの光電流信号を直接取り出せるようにワイヤボンディングしたサンプルを用いた。
【００３９】
図９は、ＶＯＡへの入力電気信号（１）と、ＡＰＤからの光電流信号（２）を同時にオシロスコープで観察した結果を示している。図中の電気信号（１）は１０ｋＨｚの方形波であり、オシロスコープの横軸１マスは、５０μｓｅｃに相当する。図９より、光電流強度（２）の変化は、電気信号（１）の変化に充分追随していることが判る。光電流強度（２）の立ち上がり（振幅の２０→８０％）および立ち下がり（振幅の８０→２０％）から読み取ったＶＯＡの応答時間は７μｓｅｃであり、従来のＶＯＡの応答時間である数ｍｓｅｃの１／１０００近い高速応答が実現されている。
【００４０】
さらに、このＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器のＶＯＡの下部に温度調節器（ヒータもしくはサーモエレクトリッククーラ）を搭載した受信器を作製した。この温度調節機能付きの受信器と、従来の受信器とＶＯＡの組み合わせとの比較を行った。具体的には、ＶＯＡの印加電流を４０ｍＡで一定に保ち、雰囲気温度を変えて光減衰量と雰囲気温度の関係を測定した。図１０に、その結果を示す。図中、白丸は、温度調節機能付きの受信器でＶＯＡ部の温度を４５℃に保った場合であり、黒丸は、従来の受信器とＶＯＡの組み合わせの場合（温度調節なし）である。白丸では、減衰量は雰囲気温度によらず安定しているが、黒丸では、高温時に減衰量の低下が起きている。このように、温度調節機能の追加により、さらなる性能向上が可能になる。
【００４１】
（第２の実施形態）
図１１に、本発明の第２の実施形態に係るＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器を一部破断して示す側面図である。この受信器２００は、Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子を用いたＶＯＡ２０２と、Ｖ溝に固定された集光レンズ２０４と、シリコン製の板（Ｓｉ板）にピンホールの付いた光学絞り２０５と、サブキャリアに搭載された受光素子２０６とをＭＳＡパッケージ２１０内に収容している。受信器２００は、さらに、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、チップ抵抗およびチップ容量などの電気回路部品２０８もＭＳＡパッケージ２１０内に収容している。
【００４２】
本実施形態では、収束光学系を用い、その結像倍率は２．０倍となるように設計されている。また、ＶＯＡ２０２として透過型のＳｉ−ＭＥＭＳ素子を用い、受光素子２０６として受光径２５μｍのＡＰＤ素子を用いた。このＳｉ−ＭＥＭＳ素子のサイズは、縦３ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ１ｍｍである。また、光学絞り２０５として、直径５０μｍのピンホール付きのＳｉ板を用いた。
【００４３】
この受信器を組み立てるには、まず上記の部品をパッケージ内に搭載する。具体的には、この光学系の結像倍率は２．０倍で設計されているので、光ファイバから出射されたビーム径１０μｍの出射光が約２倍のビーム径２０μｍでＡＰＤ受光面に入射するように、集光レンズ２０４、ＶＯＡ２０２、光学絞り２０５およびＡＰＤ２０６の位置を決める。このとき、光学絞り２０５でのビーム径は約４０μｍとなるようにする。
【００４４】
部品の搭載後、導通の必要な端子間をワイヤボンディングで接続する。次に、窒素雰囲気中でパッケージのリッドを溶接し、気密封止する。その後、気密封止のリークチェックを行う。受信器の組み立て後、第１の実施形態の場合と同様に、調芯工程を行う。
【００４５】
本実施形態において用いたＳｉ−ＭＥＭＳ素子は透過型であり、以下の機構によりＶＯＡとして機能する。Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子は、電圧が印加されると静電気力で傾斜するＳｉ板を有している。このＳｉ板には反射防止膜がコートされ、電圧が印加されていない無通電状態ではＳｉ板が信号光の光軸に対して垂直になるように設置されている。そのため、無通電状態では、信号光ビームはシフトせず、ＡＰＤ素子の受光部のほぼ中心に信号光が入射する。Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子に電圧を印加して通電状態にすると、Ｓｉ板が傾き、信号光がＳｉ板の傾きに応じた角度をもって入射する。このとき、空気とＳｉの屈折率差により、信号光は空気／Ｓｉ界面で屈折し、光路が曲がる。さらに、信号光がＳｉ板から空気中に出射するときには、Ｓｉ／空気界面で入射時とは逆の屈折が生じ、光路はもとの角度に戻る。しかし、Ｓｉ板の中を空気とは異なる角度で伝搬したため、信号光は入射光路と垂直な方向にシフトしている。このシフト量に応じて信号光のＡＰＤへの入射位置もシフトし、ＡＰＤの受光量が可変できる。このシフト量は、Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子に印加する電圧でＳｉ板の傾斜角を制御することにより制御できるので、これによりＶＯＡ機能が実現できる。
【００４６】
次に、作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器の性能について説明する。第１の実施形態の場合と同様に、受信器２００の光コネクタをレーザモジュールに接続し、１０．７Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ−ＰＲＢＳ２３１−１の変調信号で消光比１０ｄＢに変調して、符号誤り率の特性（ＢＥＲ特性）を測定した。図１１に、その結果を示す。図中、実線（ａ）は、ＶＯＡが無通電状態（最大透過率）でのＢＥＲ特性であり、点線（ｂ）は、ＶＯＡが１５Ｖの通電状態（最小透過率）でのＢＥＲ特性である。点線（ｂ）は、実線（ａ）に比較して、２０ｄＢｍ高光強度側にシフトしている。すなわち、ＶＯＡの減衰量が最大２０ｄＢであり、従来の光受信器と可変光減衰器を組み合わせた場合と同等の減衰性能を有することがわかる。
【００４７】
また、第１の実施形態の図９と同様の手法でＶＯＡの応答速度を評価し、その結果、０．５ｍｓｅｃ程度の高速応答が得られることを確認した。この応答速度は、従来のＳｉ−ＭＥＭＳ型ＶＯＡ素子の応答速度５〜１０ｍｓｅｃの１／１０程度であり、実用上充分な応答速度となっている。この高速化は、光学絞り２０５により、光減衰に必要なＳｉ−ＭＥＭＳ素子のＳｉ板の傾斜角を小さくした効果であり、本発明の有効性を示している。
【００４８】
以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、第２の実施形態で使用した光学絞りを、第１の実施形態で使用してもよい。また、第１の実施形態では、ＶＯＡ１０２の後方に集光レンズ１０２を配置しているが、第２の実施形態と同様に、集光レンズ１０２をＶＯＡ１０２の前方に配置するようにしてもよい。逆に、第２の実施形態では、ＶＯＡ２０２の前方に集光レンズ２０４を配置しているが、第１の実施形態と同様に、集光レンズ２０４をＶＯＡ２０２の後方に配置するようにしてもよい。このように、ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来の光受信器に使用されるＭＳＡパッケージの斜視図である。
【図２】コリメート光学系における可変光減衰器の原理を説明する図である。
【図３】収束光学系における可変光減衰器の原理を説明する図である。
【図４】収束光学系において信号光が受光素子の受光面からシフトする様子を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器を一部破断して示す側面図である。
【図６】可変減衰器内蔵光受信器の調芯工程を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の光減衰量と可変光減衰器に印加した電圧との関係を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の符号誤り率の特性を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の応答特性を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の温度特性を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器を一部破断して示す側面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の符号誤り率の特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０ 集光レンズ
１２，２２ 受光素子
１４，２４ ＶＯＡ素子
３０ 信号光
３２ 受光素子
３４ 受光面
１００，２００ 受信器
１０２，２０２ ＶＯＡ
１０４，２０４ 集光レンズ
１０６，２０６ 受光素子
１０８，２０８ 電気回路部品
１１０，２１０ ＭＳＡパッケージ
１１２ リード
１２０，２２０ 光ファイバ
１３０，２３０ 筐体
１４０，２４０ 筐体
１５０ 光コネクタ
１６０ レーザモジュール
１７０ 電流計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変光減衰器を内蔵した光受信器に関する。本発明は、特に、小型化が可能で高速な光減衰量の調整が可能な可変光減衰器を内蔵した光受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光通信ネットワークで用いられる光受信器では、伝送距離の長遠化を実現するために、受信感度の向上を主題として、その開発が行われてきた。特に、微小信号光を光電変換して増幅受信するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ばれる受光素子は、微小信号光の受信に適している。しかしながら、ＡＰＤは、比較的強い信号光が入射すると、受信信号の雑音が増大し、場合によっては受信器が壊れてしまう、すなわち、オーバーロード耐性が低いという問題があった。
【０００３】
実際に、ＡＰＤの絶縁破壊を避けるために、ＡＰＤ受信器内に可変光減衰器（ＶＯＡ）を搭載し、強い信号光が入射したときに、ＶＯＡが信号光の強度を適度に減衰させて、良好な受信状態を実現するＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器も開発されている（非特許文献１）。このＶＯＡは、サーモスタットに用いられるバイメタルを利用して、板が光路を遮るようにしたものである。しかし、現在調達可能なＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器では、内蔵されたＶＯＡ素子の光減衰量の高速調整ができず、その調節に５０ｍｓｅｃ程度の時間を要するという問題があった。
【０００４】
一方、減衰量を１〜数ｍｓｅｃ程度で高速調節できるＶＯＡ素子には、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）を使用したものや（非特許文献２および３）、磁気光学素子を使用したもの（非特許文献４）がある。しかし、これらのＶＯＡは大型であり、図１に一例を示す、１０Ｇｉｇａｂｉｔ−Ｐｅｒ−Ｓｅｃｏｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｍｏｕｎｔ Ｒｅｃｅｉｖｅｒマルチソースアグリーメント（ＭＳＡ）と呼ばれるデファクト化された光受信器のパッケージ内に収容できないという問題があった。そのため、ＡＰＤ受信器とＶＯＡ素子を外部で光ファイバを用いて接続する必要があり、高速に光減衰量を調節しなければならない光受信器や光送受信器の大型化とコスト増大の要因となっていた。なお、図１に示すＭＳＡパッケージの大きさは、幅（Ｗ）８．０ｍｍ、長さ（Ｌ）８．７５ｍｍ、高さ（Ｈ）最大５．０ｍｍである。
【０００５】
【非特許文献１】Eudyna, “10 Gbit/s Receivers with VOA,” ［ｏｎｌｉｎｅ］,［平成２０年２月２１日検索］、インターネット＜URL：http://www.us.eudyna.com/j/products/newproducts/10gbits_receiver_with_voa.html＞
【非特許文献２】諫本、他３名，「ＭＥＭＳ光可変減衰器のためのデバイス実装技術」，エレクトロニクス実装学会誌，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．４，２００６，ｐｐ．２３５−２３９
【非特許文献３】森本、他３名，「ＭＥＭＳ型可変光減衰器の開発」，古河電工時報，第１１１号，ｐｐ．２５−３０
【非特許文献４】古河電工，「可変光アッテネータ」，［ｏｎｌｉｎｅ］，［平成２０年２月２１日検索］、インターネット＜URL：http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pi_opt_voa.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在、波長多重伝送システムと波長ルーティング機構を採用することで光通信ネットワークの大容量化が進められており、次世代光ネットワークでは受信器に入射する信号光の経路（ルート）の高速切り替え（数ｍｓｅｃ程度）が行われる。そのため、次世代光ネットワーク向けの光受信器には、１ｍｓｅｃ程度の高速な信号光強度調整機能を内蔵することが求められている。
【０００７】
本発明は、このような状況の中、上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型化が可能で高速な光減衰量の調整が可能な可変光減衰器を内蔵した光受信器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可変減衰器を内蔵した光受信器であって、光ファイバからの入射光を集光する集光レンズと、前記集光レンズからの入射光を受光する受光素子とを備え、前記集光レンズは、収束光学系を形成するように配置され、前記可変減衰器は、前記入射光の光路を変えて前記受光素子で受光する光の減衰量を調整するように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光受信器であって、前記集光レンズと、前記受光素子との間に光学絞りをさらに備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、前記集光レンズの入射側に位置することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、前記集光レンズの出射側に位置することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、磁気光学素子から構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、前記可変減衰器は、透過型ＭＥＭＳ素子から構成されることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の光受信器であって、前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の光受信器であって、前記集光レンズおよび前記受光素子は、結像倍率が１から５の範囲内となるように構成されたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の光受信器であって、温度調整手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載の光受信器であって、ＭＳＡパッケージに収容されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、可変光減衰器（ＶＯＡ）の小型化が可能となる。また、高速の可変光減衰器が利用できるので、光減衰量の高速調節と小型化が両立できる。これにより、当該可変光減衰器を内蔵した光受信器の性能向上と低コスト化が実現できる。
【００１９】
具体的には、収束光学系を用いることにより、減衰に必要な光ビームのシフト量が低減され、ＶＯＡの小型化が可能になる。また、収束光学系では、コリメート光学系と異なり、コリメートレンズが必要なくなる。さらに、光学絞りを用いて光ビームのシフト量を減らすことができるので、ＶＯＡのさらなる小型化だけでなく、ＶＯＡに供給する電力の削減にも寄与し、省エネルギー化の観点からも有効である。
【００２０】
また、本発明によれば、可変光減衰器を内蔵した光受信器を、従来の光受信器と同じサイズのパッケージに収容できるので、従来の光受信器と互換性を維持したまま光送受信器の小型化と低コスト化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
減衰量を高速で調節できるＶＯＡ素子には、シリコン製のＭＥＭＳ（Ｓｉ−ＭＥＭＳ）や磁気光学素子を用いたものがあるが、これらの素子は、サイズが大きく、ＭＳＡの光受信器パッケージには収容できない。サイズが大きくなる理由の１つは、コリメート光学系を用いているためである。コリメート光学系の場合、信号光が平行光ビームとなるため、光路長を任意に設計できるというメリットがある。しかしながら、コリメート光学系では、光ファイバから出射された信号光をコリメートレンズを通して、平行光ビームであるコリメート光にした後、コリメート光を集光レンズを通して集光し、受光素子に入射しなければならなない。したがって、コリメート光学系では、ＶＯＡとして必要なスペースだけでなく、光ファイバの出射光をコリメート光に変換するためのコリメートレンズの設置スペースやＶＯＡを透過したコリメート光を集光し、受光素子に入射するための集光レンズの設置スペースが必要になる。
【００２２】
また、磁気光学素子や透過型ＭＥＭＳ素子のように信号光の進行方向を変えずに信号光ビームを平行にシフトさせて信号光を減衰するタイプのＶＯＡをコリメート光学系で用いた場合、図２に示すように、集光レンズ１０の開口数ＮＡ（〜１ｍｍ）の外側までビームをシフトしなければ受光素子１２で受光する信号光の減衰が得られない。そのため、信号光のビーム径（通常数百μｍ）程度のシフト量ΔＸが必要であり、ＶＯＡ素子１４の大型化は避けられない。したがって、コリメート光学系では、高速に減衰量が調節できるＶＯＡとして有力な磁気光学素子および透過型Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子を用いて小型の可変光減衰器内蔵光受信器を実現することは困難である。
【００２３】
一方、図３に示すように、収束光学系を用いると、光学系の結像倍率ｎにより、集光レンズ２０の開口数ＮＡ内の小さな平行シフト量（ΔＸ）をｎ×ΔＸに拡大できる。そのため、信号光の減衰に必要な平行シフト量は、受光素子２２の受光径の１／ｎでよい。ここで、光学系の結像倍率ｎは、集光レンズの焦点距離、レンズの光学系における位置（ＶＯＡ２４と集光レンズ２０との間の距離、集光レンズ２０と受光素子２２との間の距離）などによって決定される。
【００２４】
１０Ｇ級の光通信で一般的なＡＰＤの受光径は２５μｍである。光学系の結像倍率をｎ＝２．５とすると、信号光の減衰に必要な光ビームのシフト量は、２５／２．５＝１０μｍとなり、コリメート光学系に比べて１／１０以下のシフト量でよいことがわかる。また、収束光学系では、コリメート光学系と異なり、コリメートレンズが必要なくなるので、小型化に有利となる。
【００２５】
図４は、収束光学系において、信号光のシフトにより、信号光が減衰される様子を示している。図４（ａ）では、信号光３０の全部が受光素子３２の受光面３４に入射しており、信号光のほぼ１００％が受光されている。一方、図４（ｂ）では、信号光３０の一部が受光素子３２の受光面３４からはみ出し、信号光が減衰されている。このように、信号光のビームをシフトすることにより、収束光学系で信号光を減衰させることができる。
【００２６】
また、図３において、ＶＯＡ２４と受光素子２２の間に受光素子の受光径と同等程度の光学絞りを挿入することで、さらに光ビームのシフト量を減らすことができる。すなわち、光学絞りにより、ＶＯＡ２４からみて受光素子２２の受光径が小さく見えるようにすることによって、実効的に受光径を小さくすることで、所定の減衰量を得るために必要となる光ビームのシフト量を削減することができる。このシフト量の削減は、ＶＯＡとして用いる磁気光学素子および透過型Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子の小型化だけでなく、ＶＯＡ素子に供給する電力の削減にも寄与し、省エネルギー化の観点からも有効である。
【００２７】
本発明では、高速な減衰量調節が可能な磁気光学素子および透過型Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子を収束光学系で用いることにより、高速のＶＯＡ機能と小型化を同時に実現することができる。さらに、ＶＯＡと受光素子の間に光学絞りを挿入し、さらなる小型化および省エネルギー化を実現することができる。また、開発した小型ＶＯＡをＭＳＡ光受信器パッケージ内に搭載し、通常のＭＳＡ光受信器と互換性のあるＶＯＡ内蔵光受信器を実現することができる。
【００２８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、これらの実施形態においては、受光素子としてＡＰＤを例として説明するが、ｐｉｎフォトダイオード（ＰＤ）素子やＭＳＭ素子などその他の受光素子を使用してもよい。
【００２９】
（第１の実施形態）
図５は、本発明の第１の実施形態に係るＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器を一部破断して示す側面図である。この受信器１００は、磁気光学素子を用いたＶＯＡ１０２と、Ｖ溝に固定された集光レンズ１０４と、サブキャリアに搭載された受光素子１０６とをＭＳＡパッケージ１１０内に収容している。受信器１００は、さらに、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、チップ抵抗およびチップ容量などの電気回路部品１０８もＭＳＡパッケージ１１０内に収容している。
【００３０】
本実施形態では、収束光学系を用い、その結像倍率が２．２倍となるように設計されている。また、ＶＯＡ１０２として磁気光学素子を用い、受光素子１０６として受光径２５μｍのＡＰＤ素子を用いた。この磁気光学素子のサイズは、縦３ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ３ｍｍである。
【００３１】
この受信器を組み立てるには、まず上記の部品をパッケージ内に搭載し、導通の必要な端子間をワイヤボンディングで接続する。次に、窒素雰囲気中でパッケージのリッドを溶接し、気密封止する。その後、気密封止のリークチェックを行う。
【００３２】
受信器の組み立て後、調芯工程を行う。図６において、受信器のパッケージ１１０を、光ファイバ１２０、筐体１３０および筐体１４０とともに調芯装置（図示せず）に取り付ける。次に、光ファイバ１２０の光コネクタ１５０をレーザモジュール１６０に接続し、所定の強度の光を光ファイバ１２０に入射する。ＡＰＤと接続されたパッケージのリード１１２に電流計１７０を接続し、ＡＰＤの受光電流が最大になるように、光ファイバ１２０、筐体１３０および筐体１４０の位置を調整する。そして、ＹＡＧレーザを用いて、その位置で光ファイバ１２０、筐体１３０および筐体１４０を溶接し、固定する。
【００３３】
磁気光学素子１０２に無通電の状態では、ＡＰＤ１０６の受光部のほぼ中心に直径２２μｍに拡大された信号光が入射しており、信号光のほぼ１００％が受信されている。磁気光学素子１０２に電流を流すと、その電流量に応じて集光レンズ１０４に入射する光ビームが平行シフトし、ＡＰＤ１０６上では、その平行シフト量の約２．３倍だけシフトした位置に信号光が入射する。そのため、シフト量が１μｍを超えると、信号光ビームがＡＰＤ１０６の受光部からはみ出し、受信信号の減衰が起こる。この減衰量（すなわち、シフト量）は、磁気光学素子の電流値により高速かつ精密に制御することができ、磁気光学素子は高速に応答する可変光減衰器として機能する。
【００３４】
ＶＯＡによる受光素子での光ビームのシフト量は、受光素子の受光径を考慮すると５０μｍ以内が有効である。このシフト量は、ＡＰＤ素子の受光径を結像倍率で割った値に等しい。したがって、ＡＰＤ素子の受光径が１０〜５０μｍ程度であることを考慮すると、結像倍率は１以上５以下となる。さらに、通常用いられるＡＰＤ素子の受光径が２０〜３０μｍ程度であることを考慮すると、結像倍率は１．５以上２．５以下となる。
【００３５】
次に、作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器におけるＶＯＡ部の光減衰特性について説明する。作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器に０．２ｍＷのＣＷ光（直流光もしくは無変調光）を入射し、ＡＰＤ素子の受光電流を測定した。この時、ＡＰＤ素子には増倍率（Ｍ値）が１となるよう１０Ｖの電圧を印加している。Ｍ値＝１では、ＡＰＤ素子の光電気変換効率がおよそ０．９Ａ／Ｗであるため、測定される受光電流値はおよそ１８０μＡである。続いて、入射光強度を減衰させるため、ＶＯＡ部に電圧を印加しながら、受光電流値の変化を測定した。各印加電圧で測定した受光電流値と無電圧時の受光電流値（１８０μＡ）との比を減衰量としてデシベル表示でプロットした結果を図７に示す。ＶＯＡ部への印加電圧の増加とともに、受光電流値は減少し、１Ｖ印加時には無電圧時の１／１０である１８μＡまで現象（図７：−１０ｄＢ）している。さらに、ＶＯＡの印加電圧を１．４Ｖまで増加すると受光電流は、０．５７μＡまで減少（図７：−２５ｄＢ）している、この減衰量は、ＡＰＤ素子を保護し良好な受信状態を得るために必要とされる−２０ｄＢの減衰量を上回っており、実用上充分な減衰量が得られた。また、１．４Ｖ印加時（−２５ｄＢ時）にＶＯＡ素子に流れる電流値は４４ｍＡであり、消費電力も６０ｍＷと極めて小さい。この消費電力の削減は、本発明の収束光学系による光路シフト量の低減によりもたらされており、低消費電力化における本発明の有効性を示している。
【００３６】
次に、作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器１００の性能について説明する。受信器の光コネクタ１５０をレーザモジュール１６０に接続し、１０．７Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ−ＰＲＢＳ２３−１の変調信号で消光比１０ｄＢに変調して、符号誤り率の特性（ＢＥＲ特性）を測定した。図８に、その結果を示す。図中、実線（ａ）は、ＶＯＡが無通電状態（最大透過率）でのＢＥＲ特性であり、点線（ｂ）は、ＶＯＡに１．０Ｖ印加（減衰量１０ｄＢ時）した状態でのＢＥＲ特性である。実線（ａ）では、通常のＡＰＤ受信器と同様に平均受信光強度−５ｄＢｍ近辺で、オーバーロードによる符号誤りが発生している。一方、点線（ｂ）ではＶＯＡによる受信光強度の減衰により、オーバーロードによる符号誤りの発生が＋５ｄＢｍ付近まで高光強度側にシフトしている。この結果は、ＶＯＡによる０〜１０ｄＢの可変光減衰により、ＡＰＤ素子の受信ダイナミックレンジ：２２ｄＢ（−２７ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）が３２ｄＢ（−２７ｄＢｍ〜＋５ｄＢｍ）まで１０ｄＢ拡大できることを示している。
【００３７】
ここでは、図８を基にＶＯＡの印加電圧範囲０〜１．０Ｖの場合を例に受信ダイナミックレンジの１０ｄＢ拡大を説明したが、印加電圧の可変範囲を０〜１．４Ｖまで拡大することで受信ダイナミックレンジの拡大幅を２５ｄＢにできることは、図７の結果より明らかである。
【００３８】
次に、ＶＯＡの光減衰量の電気信号への応答速度を評価した。この評価では、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）の応答速度の影響を排除するために、ＴＩＡを搭載せず、ＡＰＤからの光電流信号を直接取り出せるようにワイヤボンディングしたサンプルを用いた。
【００３９】
図９は、ＶＯＡへの入力電気信号（１）と、ＡＰＤからの光電流信号（２）を同時にオシロスコープで観察した結果を示している。図中の電気信号（１）は１０ｋＨｚの方形波であり、オシロスコープの横軸１マスは、５０μｓｅｃに相当する。図９より、光電流強度（２）の変化は、電気信号（１）の変化に充分追随していることが判る。光電流強度（２）の立ち上がり（振幅の２０→８０％）および立ち下がり（振幅の８０→２０％）から読み取ったＶＯＡの応答時間は７μｓｅｃであり、従来のＶＯＡの応答時間である数ｍｓｅｃの１／１０００近い高速応答が実現されている。
【００４０】
さらに、このＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器のＶＯＡの下部に温度調節器（ヒータもしくはサーモエレクトリッククーラ）を搭載した受信器を作製した。この温度調節機能付きの受信器と、従来の受信器とＶＯＡの組み合わせとの比較を行った。具体的には、ＶＯＡの印加電流を４０ｍＡで一定に保ち、雰囲気温度を変えて光減衰量と雰囲気温度の関係を測定した。図１０に、その結果を示す。図中、白丸は、温度調節機能付きの受信器でＶＯＡ部の温度を４５℃に保った場合であり、黒丸は、従来の受信器とＶＯＡの組み合わせの場合（温度調節なし）である。白丸では、減衰量は雰囲気温度によらず安定しているが、黒丸では、高温時に減衰量の低下が起きている。このように、温度調節機能の追加により、さらなる性能向上が可能になる。
【００４１】
（第２の実施形態）
図１１に、本発明の第２の実施形態に係るＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器を一部破断して示す側面図である。この受信器２００は、Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子を用いたＶＯＡ２０２と、Ｖ溝に固定された集光レンズ２０４と、シリコン製の板（Ｓｉ板）にピンホールの付いた光学絞り２０５と、サブキャリアに搭載された受光素子２０６とをＭＳＡパッケージ２１０内に収容している。受信器２００は、さらに、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、チップ抵抗およびチップ容量などの電気回路部品２０８もＭＳＡパッケージ２１０内に収容している。
【００４２】
本実施形態では、収束光学系を用い、その結像倍率は２．０倍となるように設計されている。また、ＶＯＡ２０２として透過型のＳｉ−ＭＥＭＳ素子を用い、受光素子２０６として受光径２５μｍのＡＰＤ素子を用いた。このＳｉ−ＭＥＭＳ素子のサイズは、縦３ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ１ｍｍである。また、光学絞り２０５として、直径５０μｍのピンホール付きのＳｉ板を用いた。
【００４３】
この受信器を組み立てるには、まず上記の部品をパッケージ内に搭載する。具体的には、この光学系の結像倍率は２．０倍で設計されているので、光ファイバから出射されたビーム径１０μｍの出射光が約２倍のビーム径２０μｍでＡＰＤ受光面に入射するように、集光レンズ２０４、ＶＯＡ２０２、光学絞り２０５およびＡＰＤ２０６の位置を決める。このとき、光学絞り２０５でのビーム径は約４０μｍとなるようにする。
【００４４】
部品の搭載後、導通の必要な端子間をワイヤボンディングで接続する。次に、窒素雰囲気中でパッケージのリッドを溶接し、気密封止する。その後、気密封止のリークチェックを行う。受信器の組み立て後、第１の実施形態の場合と同様に、調芯工程を行う。
【００４５】
本実施形態において用いたＳｉ−ＭＥＭＳ素子は透過型であり、以下の機構によりＶＯＡとして機能する。Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子は、電圧が印加されると静電気力で傾斜するＳｉ板を有している。このＳｉ板には反射防止膜がコートされ、電圧が印加されていない無通電状態ではＳｉ板が信号光の光軸に対して垂直になるように設置されている。そのため、無通電状態では、信号光ビームはシフトせず、ＡＰＤ素子の受光部のほぼ中心に信号光が入射する。Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子に電圧を印加して通電状態にすると、Ｓｉ板が傾き、信号光がＳｉ板の傾きに応じた角度をもって入射する。このとき、空気とＳｉの屈折率差により、信号光は空気／Ｓｉ界面で屈折し、光路が曲がる。さらに、信号光がＳｉ板から空気中に出射するときには、Ｓｉ／空気界面で入射時とは逆の屈折が生じ、光路はもとの角度に戻る。しかし、Ｓｉ板の中を空気とは異なる角度で伝搬したため、信号光は入射光路と垂直な方向にシフトしている。このシフト量に応じて信号光のＡＰＤへの入射位置もシフトし、ＡＰＤの受光量が可変できる。このシフト量は、Ｓｉ−ＭＥＭＳ素子に印加する電圧でＳｉ板の傾斜角を制御することにより制御できるので、これによりＶＯＡ機能が実現できる。
【００４６】
次に、作製したＶＯＡ内蔵ＡＰＤ受信器の性能について説明する。第１の実施形態の場合と同様に、受信器２００の光コネクタをレーザモジュールに接続し、１０．７Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ−ＰＲＢＳ２３１−１の変調信号で消光比１０ｄＢに変調して、符号誤り率の特性（ＢＥＲ特性）を測定した。図１１に、その結果を示す。図中、実線（ａ）は、ＶＯＡが無通電状態（最大透過率）でのＢＥＲ特性であり、点線（ｂ）は、ＶＯＡが１５Ｖの通電状態（最小透過率）でのＢＥＲ特性である。点線（ｂ）は、実線（ａ）に比較して、２０ｄＢｍ高光強度側にシフトしている。すなわち、ＶＯＡの減衰量が最大２０ｄＢであり、従来の光受信器と可変光減衰器を組み合わせた場合と同等の減衰性能を有することがわかる。
【００４７】
また、第１の実施形態の図９と同様の手法でＶＯＡの応答速度を評価し、その結果、０．５ｍｓｅｃ程度の高速応答が得られることを確認した。この応答速度は、従来のＳｉ−ＭＥＭＳ型ＶＯＡ素子の応答速度５〜１０ｍｓｅｃの１／１０程度であり、実用上充分な応答速度となっている。この高速化は、光学絞り２０５により、光減衰に必要なＳｉ−ＭＥＭＳ素子のＳｉ板の傾斜角を小さくした効果であり、本発明の有効性を示している。
【００４８】
以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、第２の実施形態で使用した光学絞りを、第１の実施形態で使用してもよい。また、第１の実施形態では、ＶＯＡ１０２の後方に集光レンズ１０２を配置しているが、第２の実施形態と同様に、集光レンズ１０２をＶＯＡ１０２の前方に配置するようにしてもよい。逆に、第２の実施形態では、ＶＯＡ２０２の前方に集光レンズ２０４を配置しているが、第１の実施形態と同様に、集光レンズ２０４をＶＯＡ２０２の後方に配置するようにしてもよい。このように、ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来の光受信器に使用されるＭＳＡパッケージの斜視図である。
【図２】コリメート光学系における可変光減衰器の原理を説明する図である。
【図３】収束光学系における可変光減衰器の原理を説明する図である。
【図４】収束光学系において信号光が受光素子の受光面からシフトする様子を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器を一部破断して示す側面図である。
【図６】可変減衰器内蔵光受信器の調芯工程を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の光減衰量と可変光減衰器に印加した電圧との関係を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の符号誤り率の特性を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の応答特性を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の温度特性を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器を一部破断して示す側面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る可変減衰器内蔵光受信器の符号誤り率の特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０ 集光レンズ
１２，２２ 受光素子
１４，２４ ＶＯＡ素子
３０ 信号光
３２ 受光素子
３４ 受光面
１００，２００ 受信器
１０２，２０２ ＶＯＡ
１０４，２０４ 集光レンズ
１０６，２０６ 受光素子
１０８，２０８ 電気回路部品
１１０，２１０ ＭＳＡパッケージ
１１２ リード
１２０，２２０ 光ファイバ
１３０，２３０ 筐体
１４０，２４０ 筐体
１５０ 光コネクタ
１６０ レーザモジュール
１７０ 電流計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変減衰器を内蔵した光受信器であって、
光ファイバからの入射光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズからの入射光を受光する受光素子と
を備え、
前記集光レンズは、収束光学系を形成するように配置され、
前記可変減衰器は、前記入射光の光路を変えて前記受光素子で受光する光の減衰量を調整するように構成されたことを特徴とする光受信器。
【請求項２】
請求項１に記載の光受信器であって、
前記集光レンズと、前記受光素子との間に光学絞りをさらに備えたことを特徴とする光受信器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、前記集光レンズの入射側に位置することを特徴とする光受信器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、前記集光レンズの出射側に位置することを特徴とする光受信器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、磁気光学素子から構成されることを特徴とする光受信器。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、透過型ＭＥＭＳ素子から構成されることを特徴とする光受信器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の光受信器であって、
前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする光受信器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の光受信器であって、
前記集光レンズおよび前記受光素子は、結像倍率が１から５の範囲内となるように構成されたことを特徴とする光受信器。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の光受信器であって、
温度調整手段をさらに備えたことを特徴とする光受信器。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の光受信器であって、
ＭＳＡパッケージに収容されたことを特徴とする光受信器。
【請求項１】
可変減衰器を内蔵した光受信器であって、
光ファイバからの入射光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズからの入射光を受光する受光素子と
を備え、
前記集光レンズは、収束光学系を形成するように配置され、
前記可変減衰器は、前記入射光の光路を変えて前記受光素子で受光する光の減衰量を調整するように構成されたことを特徴とする光受信器。
【請求項２】
請求項１に記載の光受信器であって、
前記集光レンズと、前記受光素子との間に光学絞りをさらに備えたことを特徴とする光受信器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、前記集光レンズの入射側に位置することを特徴とする光受信器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、前記集光レンズの出射側に位置することを特徴とする光受信器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、磁気光学素子から構成されることを特徴とする光受信器。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の光受信器であって、
前記可変減衰器は、透過型ＭＥＭＳ素子から構成されることを特徴とする光受信器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の光受信器であって、
前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする光受信器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の光受信器であって、
前記集光レンズおよび前記受光素子は、結像倍率が１から５の範囲内となるように構成されたことを特徴とする光受信器。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の光受信器であって、
温度調整手段をさらに備えたことを特徴とする光受信器。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の光受信器であって、
ＭＳＡパッケージに収容されたことを特徴とする光受信器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２４４８３３（Ｐ２００９−２４４８３３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０８６３０（Ｐ２００８−２０８６３０）
【出願日】平成２０年８月１３日（２００８．８．１３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１３日（２００８．８．１３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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