第 3 章 20 Gbit/s EML 送信 ュー
3.1 緒言
次世代 ネッ ワー 通信 ッ 増加 対応し 20 Gbit/s
伝送速度 ，光 外 配置 可能 環境温度-40 C ～ +95 C 動作を満
足 量産性 優 光送信 ュー 期待さ い ．こ 送信 ュー を実現 EML (Electro absorption Modulator Laser)を搭載し 光送信 ュー 有
望 あ ．EML 伝送速度40 Gbit/s 応答 可能 あ [1]，波形品質や伝送特性
優 い [2, 3]．第 1 章 述 様 EML を搭載 ッ ー 量産性 優
TO (Transistor Outline) – CAN ッ ー 好 しい．し し ，TO-CAN ッ ー
を利用し 光送信 ュー い 通信速度 20 Gbit/s 高速動作 環境温度-40 C
～ +95 C 両方を満足し 報告例 無い．光信号 波形品質を維持 場合，光送信
ュー 搭載さ EML 温度を一定 保 必要 あ ，温度を一定 制御 ペ ェ素子を ュー 内部 搭載 必要 あ [4]．こ 場合，送信 ュ ー 光出力 ワー 大 く変動 いう課題 あ ．光通信 応 光出力 ワー 範 規定さ ， ワー変動 好 しく い．EML 特性を最 適化し，ペ ェ素子を搭載 動作温度を広 研究 進 [5, 6]，
-40 C ～ +95 C 温度範 20 Gbit/s 良好 波形品質を得 いう報告 無い．
こ 課題を解決し，次世代 ネッ ワー 要求を満足 光送信 ュー を 実証 意義 大 い．
本章 3.2節 EML素子 光送信 ュー 構造 動作 い 説明 ．3.3 節 光出力 ワー変動 原因 光学補償 指針 い 述 ．3.4 節 光出力 ワ ー変動を抑制 光学補償設計 い 述 ．3.5 節 試作し 送信 ュー
評価結果を示し，3.6節 本章 を記載 ．
3.2 光送信 ュー 構造
3.1 TO-CAN ッ ー を用い 光送信 ュー 構成 を示 ．光送信
ュー 呼 金属部品 ペ ェ素子 配置さ ，更 ペ ェ素 子 キ 呼 金属部品 実装さ い ．EML ン 固定 さ ， ン キ 配置さ ．LD 発振波長 EA 変調器 吸収端波長 温度 変化し，消光特性 変化 こ 出力 光波形 品質
3.1 TO-CAN ッ ー を用い 光送信 ュー 構成
劣化し し う．こ ，EML ペ ェ素子 温度を一定 制御さ ． ー EML LD部 金ワ 接続さ ，LD 直流電流を加え こ 光を出力
． 電 気 信 号 を 光 送 信 ュ ー 内 部 伝 え 回 路 基 板 あ FPC (Flexible
Printed Circuit) ー 接続さ ．FPC 伝え 電気信号
配置さ 高周波基板を通 ，金ワ ， ン を介し EML EA変調器 伝え ，LD 出力 光を変調 ．硝子 非球面 ン を把持 金 属ホ 一体 ン キ ッ 溶接固定さ ．EML 出射
光信号 光 を内包 非球面 ン 集光さ ， ュー
外部 取 出さ ．
3.3 光出力 ワー変動 原因 光学補償 指針
3.2 節 述 光送信 ュー 構造 環境温度変動 対し 外部 出力さ 光 ワー 大 く変動 点を持 ． 3.3 環境温度変動 EML出射光 結像 置を示 ． 3.3(a) 環境温度 +25 C， 3.3 (b) +95 C け
EML出射光 結像 置を示し い ．ペ ェ素子 部 温度 一定 制御さ
，EML 最適 駆動温度 あ +55 C 保 い ．環境温度 +25 C 70
C 昇 場合 ン キ ッ 温度 同様 70 C 昇 ．温度 昇し 場合 ン キ ッ 線膨張 伸び こ ．こ 伴い，非球面 ン 置 ン キ ッ 合わ 変動 ．一方，EML ペ ェ素子 配置さ ー 発光 置 変動 無い．EML 非球面 ン 間距離をL，非球面 ン
光 間距離をL1，温度変動後 EML 非球面 ン 間距離をLT，非球 面 ン 光 間距離をL1T LT，L1T ，
) 1
(
L T
LT (3.1)
1
21 L L T M
L
T
(3.2)．ここ ，T 環境温度 変化量， ン キ ッ 線膨張係数，M ン 倍率を示し い ．環境温度 昇 場合LT > L あ ，L1T < L1
，EML 出射し 光 結像 置 温度変動前 短く ．結合効率 第 2 章
式(2.44) 計算 こ ，結像 置 EML 出射し 光 結合
効率 こ ．環境温度 場合 逆 結像 置 伸び こ
，こ 場合 同様 結合効率 ． ，動作 環境温度範 広く 結合効率 光送信 ュー 光出力 ワー変動 顕著 ．
(a) 環境温度+25 C (b) 環境温度+95 C
3.2 環境温度変動 EML出射光 結像 置
環境温度変動 結合効率 程度変動 計算を行 ．非球面 ン 倍 率を3.5， ン キ ッ 線膨張係数を1.1 10-5 し ． 3.3 光送信 ュー
環境温度変動 対 結合効率 計算結果を示 ．環境温度+25 C ，EML
出射し 光 最 結合 置 を配置し 仮定し ，-40 C ～ +95
C 範 結合効率を計算し ．-40 C 結合効率 -0.85 dB，+95 C 結合効率 -0.95 dB ，-40 C ～ 95 C 範 最大0.95 dB 光出力変動 発生 こ
．光通信 応 ワー範 規定さ ，環境温度 対 光 ワー変動 好 しく い． ，光出力 ワー を補う場合EML 出力
光 ワーを約 1.0 dB 増加さ 必要 あ ，消費電力 増加 こ
．計算 温度を+25 C 最適 置 を配置 仮定し
，実際 を ン キ ッ 取 付け ， 置
生 こ を考慮 必要 あ ．+25 C 最適 置 を配置 し ，取 付け時 こ 3.3 結合効率 ー 得 温度 +25 C
他 温度 ，0.95 dB以 光出力 ワー変動 発生 懸念 あ ．
環境温度変化 対 結像 置 を抑制 式(3.2) Lを短く ，線 膨張 小さい ン キ ッ 変更 ， ン 倍率 M を小さく 等 方法 考え ，Lを短く 方法 光送信 ュー 組立制約 特性を大 く 改善 効果 得 い． ，線膨張 を小さく 方法 ン キ ッ
製造制約 実現 しい． ン 倍率 M を小さく こ 可能 ，
結像し ー 小さく ， ー 不整合 結合効
率 いう問題 あ ． こ ， ッ ン を1枚追加し 温度変動
3.3 環境温度変動 対 結合効率 変化
-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0 0.3
-50 -25 0 25 50 75 100 125
環境温度 ( C)
結合効率 (dB )
0.95 dB
対し 屈折率 変化 熱光学効果 熱応力 ッ ン 形状制 御を利用し 光学補償方法を新規 考案し ． 熱光学効果 光学補償方法 ， 熱応力 ッ ン 形状制御方法 原理 い 以 述 ．
熱光学効果 光学補償
ッ 非常 大 負 熱光学係数を有 ． 3.4 一般的 硝子 あ BK7 ッ 温 度 変 動 対 屈 折 率 変 化 を 示 ．BK7 熱 光 学 係 数 2.410-6 あ 対し ， ッ -1.010-4 熱光学係数を有 ．
BK7 -40 C ～ +95 C 温度範 わ 3.3 10-4 屈折率変動 生 程度 ， ッ 1.3 10-2屈折率 変化し，約40倍変化 こ ．こ 熱光学効 果を利用し， ッ 曲率を け ン こ 温度変動 対 結像点
置を制御 ．
3.5 ッ ン を用い 光学補償 を示 ．EML 出射し 光
硝子 非球面 ン を通過し 後 ， ッ ン を通過し ， 集光 こ を考え ．環境温度+25 C い EML 出射し 光
結像 配置 ． 述 様 温度変動 対し EML 非球面 ン 間 距離 変動 ，環境温度 +95 C EML 非球面 ン 間 距離 広 こ
． ，非球面 ン を通過後 光 結像 置 式(3.2) 短く ，
温度 昇 こ ッ ン 屈折率 同時 こ ，こ
効果 結像 置を伸 こ ． ッ ン 曲率を最適 設計 こ
，温度変動 対し 結像 置 変動し い様 補償を こ 出来 ．
3.4 温度変動 対 ン 材料 屈折率変化 1.47 1.48 1.49 1.50 1.51 1.52
1.60 1.61 1.62 1.63 1.64 1.65
-50 -25 0 25 50 75 100
屈折 率 屈折率
温度 ( C)
プラスチック(Ultem) BK7
3.5 ッ ン 光学補償
熱応力 ッ ン 形状制御
ッ ン 大 線膨張係数を有し ， 線膨張係数 金属 約4 倍 4.0 10-5 ． 述 様 熱光学効果を利用 こ 温度 対 結像
置 を抑制 こ ，温度 対し ッ ン 形状自体
変化 ， 形状変化 結像 置 最適 置 こ ．
3.6 温度変動 ッ ン 形状変化を示 ． 実線 形状 変 化前を示し ，破線 温度 形状変化後を示し い ． 3.6(a) 環境温度 +95 C ッ ン 形状 変化を示し い ．温度変動 対し
(a) 環境温度+95 C (b) 環境温度-40 C
3.6 ッ ン 形状変化
EML
+25 C
+95 C
非球面レン プラスチックレン
プラスチックレン の 形状変化(+95 C)
プラスチックレン の 形状変化(-40 C)
ッ ン 自由 変化 仮定 ，温度 昇し ッ ン 大 く ， ン 曲率 同様 大 く ． ，形状変化
ン 屈折力 小さく 結像 置 最適 置 伸び こ ． 3.6 (b) 環
境温度 -40 C ッ ン 形状変化を示し い ．温度 場 合 ン 曲率 小さく ，屈折力 大 く 結像 置 最適 置 短 く ． こ ，温度変化 対し ッ ン 形状を制御 こ を考え ．
3.7 ッ ン 一部を拘束し 環境温度変化 対 ン 形状 変化を示し い ． 3.7(a)，(b) ，環境温度+25 C，+95 C
ッ ン 形状 あ ． ッ ン 面を拘束 ， ン 面 両端 固定 温度 +25 C +95 C 昇し ， ン 面 面 曲率形状 逆 変化を ． ン 面 両端 拘束さ 伸び こ ， 面 自由 伸び こ ， ン 面方向 凸状 反 発生 あ ．
，環境温度 昇 ン 面 曲率 大 く ， 面 曲率 小さく
．
3.8 述 固定方法を用い ，環境温度変動 対 光 結像 置を示 し い ．環境温度変化 対し ン 面 曲率 大 く 光 屈折力 弱く
， ン 面 曲率 小さく 光 屈折力 大 く ， ン 面 光 屈折力 打ち消しあい，線膨張 形状変化 結像 置 を 減 こ
．
述 光学補償設計を進 当 ，表 3.1 設計目標値を示 ．環境温度-40
C ～ +95 C 結合効率 変化量 0.5 dB以 を目標 し ． ， ッ
ン を挿入 こ ，波面収差 発生し EML出射光 光 結合 懸念 あ ． ， ッ ン を挿入 こ 波面収
差 過剰損失 目標値を0.3 dB以 し ．
(a) 環境温度+25 C (b) 環境温度+95 C
3.7 ッ ン 形状制御
固定
固定 固定 固定
+25 C 拘束しない +95 C
レン 面
レン 面
3.8 ッ ン 両端を固定し 光 結像 置
表3.1 設計目標 結合効率 変動
(-40 ～ +95 C)
< 0.5 dB
ッ ン を加え こ 発生 光学損失
< 0.3 dB