(57)【要約】【課題】汎用的な光学部品を用いて温度により光強度を減衰することで、安価で安定な光モジュールを提供する。【解決手段】ある波長に対する透過損失が温度により変化する光学素子１と、通電する電流の強弱で近接した物体の温度を変化させる温度制御素子２とからなり、温度制御素子２で光学素子１の温度を変化させることによって、光学素子１を透過する光の強度を変化させる構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ある波長に対する透過損失が温度により変化する光学素子と、通電する電流の強弱で近接した物体の温度を変化させる温度制御素子からなり、該温度制御素子で該光学素子の温度を変化させることにより、該光学素子を透過する光の強度を変化させることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記光学素子を透過した光が受光素子の受光面に照射されるように、前記光学素子と該受光素子が空間的に配置されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の光モジュールにおいて、
前記光学素子へ入射される光強度が高くなるほど、前記光学素子における透過損失が大きくなるように、前記温度制御素子により前記光学素子の温度を変化させる制御機構を接続したことを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の光モジュールにおいて、
前記光学素子に入射される光の波長が一定であることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の光モジュールにおいて、
前記光学素子が誘電体多層膜を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか１項に記載の光モジュールにおいて、
前記光学素子がエタロン型フィルタを有するものであることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタがプラスチックで構成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
請求項６に記載の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタが化合物半導体で構成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
請求項６に記載の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタが、前記エタロン型フィルタを構成する少なくとも１つの物質の熱膨張により前記エタロン型フィルタの共振器長が変化することにより前記エタロン型フィルタの透過損失が変化するものであることを特徴とする光モジュール。
【請求項１０】
請求項６に記載の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタが、前記エタロン型フィルタを構成する少なくとも１つの物質の屈折率の温度変化により前記エタロン型フィルタの透過損失が変化するものであることを特徴とする光モジュール。
【請求項１１】
請求項２〜１０の何れか１項に記載の光モジュールにおいて、
半導体レーザからなる送信部が、光モジュール内に一体となって構成され、送受信の機能を有することを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光モジュールに関し、具体的には入射光の強度を最適な大きさにして受光する受光用光モジュールに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信等の分野においては、送信機から光ファイバを媒体として送信された光信号の受信機として受光素子が用いられる。受光素子としては、ｐｉｎフォトダイオード（ｐｉｎＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が一般的である。ｐｉｎＰＤは照射されたフォトンを電流に変換することで光信号を電気信号に変える機能を持つものである。一方、ＡＰＤは変換された電流をさらに増倍することでｐｉｎＰＤよりも大きな電気信号を得るものである。一般的な光通信では、各拠点どうしを光ファイバで結び、これらの光ファイバの両端に送信機と受信機を接続して光信号の伝播を行う。
【０００３】
ところで、一般的な光ファイバを伝播する光信号は１ｋｍあたり０．３ｄＢ程度の強度の損失を被る。送信機および受信機は通常同じ種類のものを用いるため、互いの距離が短い拠点どうしの通信では、光ファイバが短いため光信号の強度の損失が小さく、受信機に到達する光信号の強度は大きく、また互いの距離が長い拠点どうしの通信では、光ファイバが長いため光信号の強度の損失が大きく、受信機に到達する光信号の強度は小さい。
【０００４】
例えば拠点間の距離が１０ｋｍの場合、光ファイバを伝播することにより光信号は０．３×１０＝３ｄＢの損失を受ける。送信機からの光信号強度は通常＋３ｄＢ程度であるから、受信機に入射する光信号の強度は３−３＝０ｄＢｍとなる。一方、例えば拠点間の距離が８０ｋｍの場合、光ファイバを伝播することにより光信号は０．３×８０＝２４ｄＢの損失を受ける。この場合、受信機に入射する光信号の強度は３−２４＝−２１ｄＢｍとなる。
【０００５】
受信機において光を受光するｐｉｎＰＤやＡＰＤは小さい強度の光信号を効率よく、または増幅して電気信号に変換することに特長を発揮するものであるが、逆に強い光信号の場合には、電気信号強度の飽和現象が生じ信号が歪んだり、更には電流が定格値を超えるために発生したジュール熱によってｐｉｎＰＤやＡＰＤが破壊される。特にＡＰＤの受光強度の定格値は０ｄＢｍ前後であるため、伝播距離が短い拠点間の通信では受信機に入射される光信号の強度を減衰させる必要がある。
【０００６】
そこで従来の技術では光ファイバと受信機との間に光減衰器を挿入し、光強度を減衰させている。
【０００７】
なお、後述する第１の実施の形態の光学素子（図２）に関する先行技術文献として次の特許文献１がある。
【特許文献１】特願２００６−１０８２１８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の光モジュールでは、光強度の減衰手段として機械的駆動部を有しているため、光モジュールの振動により特性が不安定になったり、また特性の安定化を図るために光モジュールの固定に特別な部品が必要であるなどの問題があった。
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、汎用的な光学部品を用いて温度により光強度を減衰することで、安価で安定な光モジュールを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する第１発明の光モジュールは、少なくとも、ある波長に対する透過損失が温度により変化する光学素子と、通電する電流の強弱で近接した物体の温度を変化させる温度制御素子からなり、該温度制御素子で該光学素子の温度を変化させることにより、該光学素子を透過する光の強度を変化させることを特徴とするものである。
【００１１】
また、第２発明の光モジュールは、第１発明の光モジュールにおいて、
前記光学素子を透過した光が受光素子の受光面に照射されるように、前記光学素子と該受光素子が空間的に配置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、第３発明の光モジュールは、第２発明の光モジュールにおいて、
前記光学素子へ入射される光強度が高くなるほど、前記光学素子における透過損失が大きくなるように、前記温度制御素子により前記光学素子の温度を変化させる制御機構を接続したことを特徴とするものである。
【００１３】
また、第４発明の光モジュールは、第１〜第３発明の何れかの光モジュールにおいて、
前記光学素子に入射される光の波長が一定であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、第５発明の光モジュールは、第１〜第４発明の何れかの光モジュールにおいて、
前記光学素子が誘電体多層膜を有することを特徴とするものである。
【００１５】
また、第６発明の光モジュールは、第１〜第４発明の何れかの光モジュールにおいて、
前記光学素子がエタロン型フィルタを有することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４に記載の光モジュール。
【００１６】
また、第７発明の光モジュールは、第６発明の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタがプラスチックで構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
また、第８発明の光モジュールは、第６発明の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタが化合物半導体で構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
また、第９発明の光モジュールは、第６発明の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタが、前記エタロン型フィルタを構成する少なくとも１つの物質の熱膨張により前記エタロン型フィルタの共振器長が変化することにより前記エタロン型フィルタの透過損失が変化するものであることを特徴とするものである。
【００１９】
また、第１０発明の光モジュールは、第６発明の光モジュールにおいて、
前記エタロン型フィルタが、前記エタロン型フィルタを構成する少なくとも１つの物質の屈折率の温度変化により前記エタロン型フィルタの透過損失が変化するものであることを特徴とするものである。
【００２０】
また、第１１発明の光モジュールは、第２〜第１０発明の何れかの光モジュールにおいて、
半導体レーザからなる送信部が、光モジュール内に一体となって構成され、送受信の機能を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、汎用的な光学部品を用いて温度により光強度を減衰することで、入射光の強度を最適な大きさにして受光する受光用光モジュールを安価で安定に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る光モジュールは、ある波長に対する透過損失が温度により変化する光学素子の温度を変化させることにより、この光学素子を透過する光の強度を変化させるものである。またこの光学素子を透過した光が受光素子の受光面に照射されるように、両者を空間的に配置して、受光素子へ入射する光強度を可変にするものである。さらに光素子へ入射される光強度が高くなるほど、この光素子における透過損失が大きくなるように温度を変化させる制御機構を接続し、受光素子へ入射する光強度を制限するものである。
【００２３】
以下、本発明に係る光モジュールの実施形態例について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（第１の実施形態例）
図１は、本発明に係る光モジュールの第１の実施形態例を示す図である。
【００２５】
図１に示すように、本第１の実施形態例の光モジュールは、ある波長の光に対する透過損失が温度によって変化する特性を有する光学素子１を、温度制御素子２に熱的に接するように配置したものである。ある波長をもった入射光が透過するように光学素子１が光モジュール内に配置されている。ここでは光学素子１からの透過光が温度素子２によって遮られないように、温度制御素子２の一部に切り欠き又は貫通穴３を設けている。温度制御素子２は通電する電流の強弱で近接した物体（光学素子１）の温度を変化させるものである。即ち、温度制御素子２へ通電する電流値を調整して温度制御素子２の温度を変化させることにより、この温度制御素子２に熱的に接している光学素子１の温度を変化させることができる。
【００２６】
光学素子１としては、例えば図２に示すようなエタロン型フィルタを用いることができる。図２に示すエタロン型フィルタの光学素子１は、プラスチック１１と入射側反射膜１２と出射側反射膜１３とで構成されており、プラスチック１１を入射側反射膜１２と出射側反射膜１３とで挟んだ構造となっている。
【００２７】
ここでプラスチック１１としては入射光に対して９０％以上の透過性を有するものが必要である。例えば日本ゼオン社のゼオネックスは９２％の透過性を有するものであり、プラスチック１１として用いることができる。
【００２８】
エタロン型フィルタを構成するためには入射側反射膜１２と出射側反射膜１３は同じ反射率にする。両者の反射率は１〜１０％程度である。反射膜１２，１３には例えば誘電体多層膜を用いる。本第１の実施形態例では誘電体多層膜としてＴｉＯ2とＳｉＯ2を用いた。反射膜１２，１３の作製は、スパッタ蒸着装置でＴｉＯ2とＳｉＯ2をそれぞれ０．４μｍずつ積層した。
【００２９】
プラスチック１１は温度変化により厚さが変化する。プラスチック１１の熱膨張によりエタロン型フィルタの共振器長が変化する。プラスチック１１の単位温度Ｋあたりの厚さの変化の割合は熱膨張係数によって表され、前記ゼオネックスは約５×１０-5／Ｋである。
【００３０】
エタロン型フィルタは図３のように入射光の波長λに対して周期的に透過率が増減する性質を持っており、その周期はλ／２となる。エタロン型フィルタを構成するプラスチック１１の膨張係数が上記のように５×１０-5／Ｋとすると、１５Ｋの温度変化に対して、プラスチック１１は７．５×１０-4の熱膨張が生じることになる。例えば厚さ１０００μｍのプラスチック１１を用いると、熱膨張によるプラスチック１１の厚さは７．５×１０-4×１０００μｍ＝０．７５μｍとなる。入射光の波長λが１．５μｍの場合には、１５Ｋの温度変化によりエタロン型フィルタの透過率の周期が一周期シフトすることになる。即ち、１５Ｋの温度変化の範囲で、温度調整によりエタロン型フィルタの透過率を最大値と最小値の間の任意の値に調整することができることになる。
【００３１】
図４は、光学素子１の光透過特性である。図４に示すように基準温度において測定された透過率を表す曲線は、基準温度＋１０Ｋ、基準温度＋２０Ｋと温度が増加するに従い長波長側へ移動していく。破線で示したある波長に注目してみると、温度が増加するに従い透過率が減少する。従って、光学素子１の温度を増加させることによって光学素子１を透過する光の強度を減少させることが可能となる。具体的には図４のように１．５５μｍの波長の光に対して基準温度である２５℃では透過率８０％である。３５℃では透過率５０％、４５℃では透過率３０％となり、２０℃の温度上昇によって透過率が１／２以下、つまり透過光強度が３ｄＢ以上減衰する。１．５５μｍ以外の１．３μｍ、１．６μｍなどの他の波長帯についてもエタロン型フィルタの厚さ、言い換えれば共振器長を変化させることにより同様の効果を奏する。
【００３２】
なお、上記ではエタロン型フィルタとしてプラスチックを用いた例を示したが、プラスチックに代えて半導体をエタロン型フィルタに用いても、この半導体の熱膨張や、半導体の屈折率が温度で変化することを利用して、プラスチックを用いた場合と同様の効果が期待できる。
【００３３】
例えば半導体としてＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体を用いた場合は当該化合物半導体の温度変化による屈折率の変化率は約５×１０-5／Ｋである。エタロン型フィルタを構成する化合物半導体の屈折率の変化率が５×１０-5／Ｋとすると、１０Ｋの温度変化に対して、当該化合物半導体には５×１０-4の屈折率変化が生じることになる。この値は例えば入射光の波長λが１．５μｍの場合に換算すると５×１０-4μｍに相当し、図３において透過特性の曲線が５×１０-4μｍ波長軸に沿ってシフトすることになる。化合物半導体の屈折率の温度変化によりエタロン型フィルタの透過損失が変化する。
【００３４】
エタロン型フィルタにプラスチックを用いる場合には、プラスチックは熱膨張係数が１×１０-5／Ｋから１×１０-4／Ｋまでのものを用いることができる。また、エタロン型フィルタに化合物半導体を用いる場合には、化合物半導体は熱膨張係数が１×１０-6／Ｋから１×１０-5／Ｋまでのものを用いることができる。また、化合物半導体の温度による屈折率の変化を用いる場合には、温度による屈折率の変化が１×１０-6／Ｋから１×１０-5／Ｋの化合物半導体をエタロン型フィルタに用いることができる。
【００３５】
本第１の実施形態例では、光学素子１の光透過特性が温度が増加するに従い長波長側へ移動する例を示したが、温度が増加するに従い短波長側へ移動する光学素子を本発明の光モジュールに用いることもできる。また、温度の変化に対して単調に変化しない透過特性を有する光学素子を本発明の光モジュールに用いても透過率を変化させることができる。
【００３６】
（第２の実施形態例）
図５は、本発明に係る光モジュールの第２の実施形態例を示す図である。なお、図５において図１と同様の部分には同一の符号を付した。
【００３７】
図５に示すように、本第２の実施形態例の光モジュールは、光学素子１と温度制御素子２と受光素子２１とからなるものである。光学素子１及び温度制御素子２の特性及び機能については、上記第１の実施形態例（図１）の光学素子１及び温度制御素子２と同じであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３８】
受光素子２１は、光学素子１を透過した透過光を受光素子２１の受光面で受光するように空間的に配置されている。即ち、光学素子１を透過した光が受光素子２１の受光面に照射されるように光学素子１と受光素子２１が空間的に配置されている。従って、温度制御素子２の温度を変化させて光学素子１を透過する光の透過強度を変化させることにより、この透過光の強度が受光素子２１において受光素子２１の受光強度の最大定格値を超えないように制限することができる。
【００３９】
図６は入射光強度に対して光学素子１の透過率を変化させた例である。入射光強度が高い場合に光学素子１の透過率を低くすることで、透過光強度即ち受光強度が最大定格値を超えないようにすることが可能となった。
【００４０】
受光素子２１として例えばＡＰＤを用いる。ＡＰＤは光強度が大きすぎると破壊される。一般的なＡＰＤでは受光強度が−３０ｄＢｍから＋５ｄＢｍの範囲で正常動作し、受光強度の最大定格値は＋５ｄＢｍである。これに対して本第２の実施形態例の光モジュールでは、光学素子１（エタロン型フィルタ）で入射光を３ｄＢ以上減衰できるので、入射光が強い場合に当該入射光を光学素子１で例えば３ｄＢ減衰することにより、入射光の強度が−３０ｄＢｍから＋８ｄＢｍの範囲で正常動作するＡＰＤを実現できた。ＡＰＤとしては１．３μｍ〜１．６μｍの光に対して感度を持つＩｎＧａＡｓＰ系材料を受光層とした構造のものを用いる。
【００４１】
（第３の実施形態例）
図７は、本発明に係る光モジュールの第３の実施形態例を示す図である。なお、図７において図５と同様の部分には同一の符号を付した。
【００４２】
図７に示すように、本第３の実施形態例の光モジュールは、光学素子１と温度制御素子２と受光素子２１と制御機構３１とを有している。光学素子１、温度制御素子２及び受光素子２１の特性及び機能については、上記第２の実施形態例と同じであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４３】
本第３の実施形態例の光モジュールでは、温度制御素子２及び受光素子２１に制御機構３１が接続されている。制御機構３１は光学素子１を透過した透過光を受光素子２１で受光したときの受光素子２１の受光電流をモニタし、この受光電流がある決められた値を超えないように温度制御素子２の電流値を調整する。即ち、制御機構３１では、光学素子１へ入射される光の強度が高くなるほど、光学素子１における透過損失が大きくなるように、温度制御素子２により光学素子１の温度を変化させる。その結果、光学素子１を透過した透過光の強度が、受光素子２１において受光素子２１の受光強度の最大定格値を超えないように制限することができる。
【００４４】
なお、制御機構３１としては、あらかじめ設定した基準値（基準受光強度に相当する電圧値）と、受光強度に比例して受光素子２１から出力される電圧値とを比較して、前記電圧値（前記受光強度）が前記基準値（前記基準受光強度）よりも大きくなった場合に光学素子１の透過率が減少するように温度制御素子２の温度を変化させるように機能するアナログフィードバック回路を用いることができる。また、別の制御機構３１としては、あらかじめメモリに保存した基準値（基準受光強度に相当する電圧値）と、受光強度に比例して受光素子２１から出力される電圧値とを比較して、前記電圧値（前記受光強度）が前記基準値（前記基準受光強度）よりも大きくなった場合に光学素子１の透過率が減少するように温度制御素子２の温度を変化させるようにプログラムされたデジタルフィードバック回路を用いることもできる。
【００４５】
（第４の実施形態例）
図８は、本発明に係る光モジュールの第４の実施形態例を示す図である。なお、図８において図５と同様の部分には同一の符号を付した。
【００４６】
図８に示すように、本第４の実施形態例の光モジュールは、光学素子１と温度制御素子２と受光素子２１と半導体レーザ４１と波長合分波フィルタ４２とを１つの筐体４３内に実装した一心双方向光モジュールである。光学素子１、温度制御素子２及び受光素子２１の特性及び機能については、上記第２の実施形態例と同じであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４７】
本光モジュールでは受信光と送信光の波長は互いに異なるように設定している。例えば受信光波長として１．５μｍ、送信光波長として１．３μｍなどを用いる。波長合分波フィルタ４２は受信光の波長は透過し、送信光の波長は反射する特性を持っている。受信光は波長合分波フィルタ４２を透過した後、光学素子１で透過率（透過光強度）が調整されて受光素子２１に入射される。一方、送信光は波長合分波フィルタ４２で反射し、受信光と同じ光軸に沿って光モジュールの外部に出射される。その結果、光モジュールに接続した一本の光ファイバ（図示省略）で受信光の入力と送信光の出力が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る光モジュールは、光通信用の受信機の光入力部分に適用して好適なものであるが、受信機用としてのみではなく、送信光強度の調整、伝送路途中における光強度の調整、また光計測器の発光部又は受光部に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る光モジュールの第１の実施形態例を示す図である。
【図２】エタロン型フィルタの光学素子を示す図である。
【図３】エタロン型フィルタの入射光波長に対する透過率の増減を説明する図である。
【図４】本発明に係る光モジュールの透過率を説明する図である。
【図５】本発明に係る光モジュールの第２の実施形態例を示す図である。
【図６】本発明に係る光モジュールの透過率と透過光強度を説明する図である。
【図７】本発明に係る光モジュールの第３の実施形態例を示す図である。
【図８】本発明に係る光モジュールの第４の実施形態例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  光学素子
２  温度制御素子
１１  プラスチック又は半導体
１２  入射側反射膜
１３  出射側反射膜
２１  受光素子
３１  制御機構
４１  半導体レーザ
４２  波長合分波フィルタ
４３  筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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