JP2005269474A - 光トランシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＤ素子温度の調節機能を内蔵したＸＦＰ光トランシーバを提供し、ＸＦＰ光トランシーバの伝送距離の拡大とＷＤＭ伝送方式への対応を実現し、該光トランシーバの適用領域を拡大することにある。
【解決手段】ＬＤ素子の温度調節機能を内蔵したＬＤ素子モジュール８及びその制御部を搭載した電気回路基板９と、ＰＤ素子モジュール１４及びその制御部を搭載した電気回路基板１６とが下部筐体６及び上部筐体７よりなる一つの筐体に積層して収容され、該筐体の長手方向の一端に光コネクタ接続部４を、他端に電気コネクタ接続部１５をそれぞれ配置し、ＬＤ素子モジュール８は、薄い電気絶縁層１３を介して筐体の金属面と面接触し、かつ、ＬＤ素子モジュール８を搭載した電気回路基板９上に少なくとも温度調節機能についての駆動・制御部が搭載されている光トランシーバである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光トランシーバに関する。

通常ＭＳＡ（Multi Source Agreementの略）と呼ばれる光通信機器開発会社間の共通仕様により定められるＸＦＰ（１０Ｇｂ／ｓ small form factor pluggable）光トランシーバの仕様では、小型化のためにＬＤ素子の温度調節機能が省略されていた（非特許文献１）。

また、ＸＦＰ光トランシーバの構造としても、図６（ａ）に示すように、一方の端に電気コネクタに挿抜可能なパッドパタンを形成した回路基板１の他端にＬＤ素子モジュール２及びＰＤ素子モジュール３を取り付けた後、図６（ｂ）に示すように下部筐体６に固定若しくは一体成形された光コネクタレセプタクル部４にＬＤ素子モジュール２及びＰＤ素子モジュール３のスタブ５を嵌合させた後、回路基板１を固定する。

その後、図６（ｃ）に示すように上部筐体７を被せて、ネジ等で固定する実装形態が広く採用されている。
ＸＦＰ光トランシーバの外形寸法は仕様により決まっており、７８ｍｍ×１８．５ｍｍ×８．２ｍｍである。
"10 Gigabit/s small form factor pluggable Module" Revision 0.92 july 19,2002 copyright 2002 by XFP MSA 「10 Gbps小型プラガブル光トランシーバーモジュール」日高他、２００３電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-3-130 pp.263

しかしながら上述したようなＸＦＰ光トランシーバで以下の問題点がある。
（１）温調機能が含まれていないため、ＸＦＰ光トランシーバの適用領域は伝送距離１０ｋｍ以下の非波長多重伝送方式だけに制限されている（非特許文献２）。
（２）小型化のために、光トランシーバの放熱面となる上部筐体６とＬＤ素子モジュール２が直接接触しない構造を採用しており、発熱に弱いＬＤ素子の放熱性が悪い構造となっている。また、放熱性改善のために、上部筐体６とＬＤ素子モジュール２を直接接触させると、光コネクタに固定されたスタブ５に応力がかかり、ＬＤ−ファイバ間光結合の軸ズレを誘発する。

（３）ＬＤ素子モジュール２の放熱性が悪いため、発熱量の大きなＬＤ素子駆動回路をシールドされたＬＤ素子モジュール内ではなく回路基板１上に搭載しているため、ＬＤ素子−駆動回路間距離の増大による高速信号波形の劣化や送信信号−受信信号間のクロストークの増大を引き起こしている。
本発明は、上記課題を解決する光トランシーバを提供することを目的とする。具体的には、ＬＤ素子温度の調節機能を内蔵したＸＦＰ光トランシーバを提供し、ＸＦＰ光トランシーバの伝送距離の拡大とＷＤＭ伝送方式への対応を実現し、該光トランシーバの適用領域を拡大することにある。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る光トランシーバは、ＬＤ素子モジュールとＰＤ素子モジュールとが一つの筐体に収容され、該筐体の長手方向の一端に光コネクタ接続部を、該筐体の長手方向の他端に電気コネクタ接続部をそれぞれ配置した光トランシーバにおいて、前記筐体内に２枚の電気回路基板を含むことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る光トランシーバは、請求項１記載の光トランシーバにおいて、前記２枚の電気回路基板のうち、一方が少なくともＬＤ素子モジュール及びその制御部を搭載し、残りの一方が少なくともＰＤ素子モジュール及びその制御部を搭載していることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る光トランシーバは、請求項１又は２記載の光トランシーバにおいて、前記ＰＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板に前記電気コネクタ接続部が形成されていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項４に係る光トランシーバは、請求項１，２又は３記載の光トランシーバにおいて、前記回路基板に搭載された前記ＬＤ素子モジュールが、薄い電気絶縁層を介して前記筐体の金属面と面接触していることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項５に係る光トランシーバは、請求項１，２，３又は４記載の光トランシーバにおいて、前記ＬＤ素子モジュールはＬＤ素子の温度調節機能を内蔵し、前記ＬＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板上には少なくとも前記温度調節機能についての駆動・制御部が搭載されていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項６に係る光トランシーバは、請求項１，２，３，４又は５記載の光トランシーバにおいて、前記温度調節機能を内蔵した前記ＬＤ素子モジュールの厚さが５ｍｍ以下であり、前記筐体内で前記ＬＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板と前記ＰＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板が厚さ方向へ積層されていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項７に係る光トランシーバは、請求項１，２，３，４，５又は６記載の光トランシーバにおいて、前記ＬＤ素子モジュール内には、電界吸収型変調器がモノリシック集積されたＤＦＢ−ＬＤ素子に対する駆動回路が搭載され、前記筐体により電磁的にシールドされていることを特徴とする。

本発明によれば、従来の無温調タイプとの互換性を損なうことなく、ＸＦＰ光トランシーバヘの温調機能の付加が可能となり、その伝送距離が拡大するだけでなく、ＸＦＰ光トランシーバ内に搭載したＬＤ素子から送出される信号光波長の制御も可能となり、ＷＤＭ伝送方式にも対応できる。
更に、ＬＤ素子モジュールの放熱性が向上するため、ＸＦＰモジュールの使用可能な環境温度範囲の拡大や、クロストーク低減による受信感度の向上にも有効である。

上記課題を解決するために、本発明のＸＦＰ光トランシーバでは、温調素子を内蔵したＬＤ素子モジュールを用いる。
また、従来の無温調タイプのＸＦＰ光トランシーバとの互換性を維持するため、温調素子を駆動・制御するための周辺部品をすべて筐体内部に収容する。
ＭＳＡにより定められた筐体寸法内に、これらの追加部品の収容を実現するために、本発明のＸＦＰ光トランシーバは、以下に述べる構造上の特徴を有している。

１）温調素子を内蔵したＬＤ素子モジュール及び温調素子を駆動・制御するための周辺部品をＰＤ素子モジュールが搭載された回路基板とは別な同路基板に搭載する。
２）温調素子を内蔵したＬＤ素子モジュールの厚さが５ｍｍ以下であり、ＬＤ素子モジュール搭載回路基板とＰＤ素子モジュール搭載回路基板とをＸＦＰ光トランシーバの筐体内部で厚さ方向に積層実装する。
３）温調素子を内蔵したＬＤ素子モジュールの放熱面の全面とＸＦＰ光トランシーバ筐体の放熱面とが薄い絶縁物を挟んで面接触している。

従って、本発明によれば、ＸＦＰ光トランシーバの伝送距離を８０ｋｍまで拡大でき、かつＷＤＭ伝送方式のへの対応が可能となる。
ＸＦＰ光トランシーバの外形寸法は仕様により決まっており、７８ｍｍ×１８．５ｍｍ×８．２ｍｍである。これにＰＤ素子モジュール搭載回路基板とＬＤ素子モジュールを厚さ方向に積層実装するためには、温調機能を内蔵したＬＤ素子モジュールの厚さが５ｍｍ以下であれば良い。

以下に本発明の効果を具体的な実施形態を例にして説明する。
本実施例は、本発明の効果を示す一つの例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行い得ることは言うまでもない。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明のＸＦＰ光トランシーバに搭載される温調内蔵ＬＤ素子モジュール８の概要を示す。

ＬＤ素子モジュール８は、積層実装を可能とするため、厚さ４．７ｍｍ、縦６．８ｍｍ、横１２ｍｍのコンパクトなパッケージを採用している。
パッケージ内には、電界吸収型（ＥＡ）変調器がモノリシック集積されたＤＦＢ−ＬＤ素子（以下、ＥＡＤＦＢ−ＬＤ）が搭載されており、内蔵した温調素子により、ＬＤ素子温度を１０〜４５℃間の所望の温度に制御することで、送出される信号光波長を所望のＷＤＭ−グリッドに合わせることができる。

ＬＤ素子モジュール８に取り付けられたピグテール光ファイバの先端には、光コネクタレセプタクルヘ取り付けるためのスタブ５と呼ばれる部品が実装されている。
また、受信用ＰＤ素子及び受信回路へのクロストークを避けるため、温調内蔵ＬＤ素子モジュール８内にはＥＡ変調器駆動回路が搭載され、モジュール筐体により電磁的にシールドされている。

温調素子内蔵ＬＤ素子モジュール８は、図１（ｂ）に示すように、送信用回路基板９上に、温調素子駆動回路、ＬＤ出力調整回路及びＩ²Ｃと呼ばれるインタフェースを有する制御用回路部品とともに搭載される。
また、送信用回路基板９上には、電源及び制御信号をＰＤ素子モジュール搭載基板上の配線と接続するためのオス側６ピンコネクタ１０及び高周波電気信号をＰＤ素子モジュール搭載基板上の信号配線と接続するための細線同軸ケーブル１１及びそのオス側同軸コネクタ１２が実装されている。

温調素子内蔵ＬＤ素子モジュール８を搭載後、送信用回路基板９は、図１（ｃ）に示すように放熱面であるＸＦＰ上部筐体７にネジ止めされる。
この際、ＬＤ素子モジュール８の放熱面と上部筐体７との間には厚さ０．１ｍｍの電気絶縁用フィルム１３が挿入されている。

一方、プリアンプ内蔵ＰＤ素子モジュール１４は、図２（ａ）に示すＴＯ−Ｃａｎと呼ばれるパッケージに、３元混晶半導体ＩnＧaＡsからなるｐｉｎ−ＰＤとＳi製プリアンプ回路を搭載したものを用いている。
このＴＯ−Ｃａｎには、光コネクタレセプタクルヘ装着するためのスタブ５も実装されている。

このプリアンプ内蔵ＰＤ素子モジュール１４は、図２（ｂ）に示す電気コネクタ接続用パッド１５の形成された受信側回路基板１６上に、受信用ホストアンプ回路、クロック再生回路（以下、ＣＤＲ回路）、Ｉ²Ｃインタフェース用部品等の周辺回路部品と合わせて実装される。
さらに、受信側回路基板１６上には、ＬＤ素子搭載用基板上のオス側６ピンコネクタ１０と嵌合するメス側６ピンコネクタ１７と、オス側同軸コネクタ１２と接続するためのメス側同軸コネクタ１８が搭載されている。

上記の周辺回路部品実装後、受信側回路基板１６は、図２（ｃ）に示すようにＸＦＰ下部筐体６にネジ止めされる。
その際、プリアンプ内蔵ＰＤ素子モジュール１４のスタブ５が光コネクタレセプタクル４に嵌合するようにプリアンプ内蔵ＰＤ素子モジュール１４のリードを曲げてスタブ５の位置を合わせる。

次に、図３に示すように、温調内蔵ＬＤ素子モジュール８及び周辺回路部品を搭載した回路基板７を固定した上部筐体７とプリアンプ内蔵ＰＤ素子モジュール１４搭載後に回路基板１６を固定したＸＦＰ下側筐体６と接続する。
この接続に先立ち、温調内蔵ＬＤ素子モジュール８に取り付けられたピグテール光ファイバ先端のスタブ５を光コネクタレセプタクル４に嵌合し、固定しておく。

上側と下側の筐体接続は、回路基板９側のオス側６ピンコネクタ１０とオス側同軸コネクタ１２を回路基板１６側のメス側６ピンコネクタ１７と同軸コネクタ１８とにそれぞれ嵌合することで為される。
この接続後、放熱面である上側筐体７に放熱フィン１９を取り付けて、ＸＦＰ光トランシーバは完成する。

完成した本発明のＸＦＰ光トランシーバを評価ボードに搭載し、ＬＤ素子温度制御による波長可変範囲を調べた。
図４にＬＤ素子温度と送信光波長の関係を示す。
ＬＤ素子温度を１０〜４５℃の範囲で制御することで、送信波長を１５５０．５ｎｍ〜１５５４．０ｎｍ間の任意の波長に合わせられる。

これは、ＩＴＵ−Ｔ ＳＧ１５で規定された４つのＷＤＭグリッド（１５５０．９３，１５５１．７３，１５５２．５３，１５５３．３３）で使用が可能であることを示している。
次に長さ８０ｋｍの光ファイバでＬＤ素子−ＰＤ素子間を接続して、波長１５５０．９２５ｎｍ及び１５５３．３２５ｎｍの場合に、その伝送特性を評価した。
１０．３１２５Ｇｂ／ｓのＮＲＺ擬似ランダム信号を用いて測定した符号誤り率特性を図５に示す。

どちらの波長においても、８０ｋｍ伝送後のエラーフリー受信が確認でき、その受信感度は波長によらず−１６．０〜−１５．７ｄＢｍであった。
この受信感度は、ＥＡ変調器駆動回路をＬＤ素子モジュール８に内蔵せず、送信側回路基板上に実装した場合の受信感度−１４．５ｄＢｍに比べて１〜１．５ｄＢ改善しており、駆動回路内蔵によるクロストーク抑制効果が確認された。

この時、送信光の平均パワーは＋２ｄＢｍであり、８０ｋｍ伝送の規格であるＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６９１ Ｌ−６４．２ａ及び．３の仕様を満足している。
また、本実施例では、温調内蔵ＬＤ素子モジュール８として厚さ４．７ｍｍ、縦６．８ｍｍ、横１２ｍｍのパッケージを用いているが、図１（ａ）において、厚さ；５ｍｍ以下、縦；７．５ｍｍ以下、横；１４ｍｍ以下となるパッケージの温調内蔵ＬＤ素子モジュールを用いれば、本実施例と同様な構造の温調内蔵ＸＦＰ光トランシーバの作製が可能である。

厚さ５ｍｍ以下のＬＤ素子モジュールは、例えば、本願発明者らによる特願２００２−１１０００７号に記載されるＬＤ素子モジュールを用いればよい。即ち、高速の電気信号（２．５Ｇｂ／ｓ以上）を光信号に変換する機能を有する半導体光素子と、該半導体光素子を駆動する電気回路とを互いに異なるキャリア上に搭載して電気及び光信号の接続端子付きモジュール筐体に収容してなる駆動回路内蔵光モジュールにおいて、前記半導体光素子を搭載したキャリアは、温度調節機能を有する素子上に搭載され、前記電気回路を搭載したキャリアとの間に熱伝導性の低い材料を挿入して、前記電気回路から前記半導体光素子への熱伝導を抑制したものである。

このように説明したように、本実施例は、ＸＦＰ規格の光トランシーバにおいて、第１に、温調素子を内蔵したＬＤ素子モジュールおよび温調素子を駆動・制御するための周辺部品をＰＤ素子モジュールが搭載された回路基板とは別な回路基板に搭載する、第２に、温調素子を内蔵したＬＤ素子モジュールの厚さが５ｍｍ以下であり、ＬＤ素子モジュール搭載回路基板とＰＤ素子モジュール搭載回路基板とをＸＦＰ光トランシーバの筐体内部で厚さ方向に積層実装する、第３に、温調素子を内蔵したＬＤ素子モジュールの放熱面の全面とＸＦＰ光トランシーバ筐体の放熱面とが薄い絶縁物を挟んで面接触している、ことを特徴とするものである。

本発明は、ＭＡＮ（メトロポリタンエリアネットワーク）或いはＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）と呼ばれる小〜中規模の光通信ネットワークにおいて、９．９Ｇｂ／ｓから１１．５Ｇｂ／ｓのビットレートの高速光信号（１０Ｇｂ／ｓ）のディジタルデータを扱うＸＦＰ型光トランシーバに利用可能なものである。

本発明の一実施例に係るＬＤ素子モジュールの実装形態を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係るＰＤ素子モジュールの実装形態を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係光トランシーバ筐体の組立て方法を示す斜視図である。 本発明の一実施例で作製した温調内蔵光トランシーバの送信光波長の温度依存性を示すグラフである。 本発明の一実施例で作製した温調内蔵光トランシーバの符号誤り率特性を示すグラフである。 従来の無温調ＸＦＰ光トランシーバの実装構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ 従来の回路基板
２ ＬＤ素子モジュール
３ ＰＤ素子モジュール
４ 光コネクタレセプタクル部
５ スタブ
６ 下部筐体
７ 上部筐体
８ 温調内蔵ＬＤ素子モジュール
９ 送信用回路基板
１０ オス側６ピンコネクタ
１１ 細線同軸ケーブル
１２ オス側同軸コネクタ
１３ 電気絶縁用フィルム
１４ ＰＤ素子モジュール
１５ 電気コネクタ接続用パッド
１６ 受信側回路基板
１７ メス側６ピンコネクタ
１８ メス側同軸コネクタ
１９ 放熱フィン

Claims (7)

1. ＬＤ素子モジュールとＰＤ素子モジュールとが一つの筐体に収容され、該筐体の長手方向の一端に光コネクタ接続部を、該筐体の長手方向の他端に電気コネクタ接続部をそれぞれ配置した光トランシーバにおいて、前記筐体内に２枚の電気回路基板を含むことを特徴とする光トランシーバ。
2. 請求項１記載の光トランシーバにおいて、前記２枚の電気回路基板のうち、一方が少なくともＬＤ素子モジュール及びその制御部を搭載し、残りの一方が少なくともＰＤ素子モジュール及びその制御部を搭載していることを特徴とする光トランシーバ。
3. 請求項１又は２記載の光トランシーバにおいて、前記ＰＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板に前記電気コネクタ接続部が形成されていることを特徴とする光トランシーバ。
4. 請求項１，２又は３記載の光トランシーバにおいて、前記回路基板に搭載された前記ＬＤ素子モジュールが、薄い電気絶縁層を介して前記筐体の金属面と面接触していることを特徴とする光トランシーバ。
5. 請求項１，２，３又は４記載の光トランシーバにおいて、前記ＬＤ素子モジュールはＬＤ素子の温度調節機能を内蔵し、前記ＬＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板上には少なくとも前記温度調節機能についての駆動・制御部が搭載されていることを特徴とする光トランシーバ。
6. 請求項１，２，３，４又は５記載の光トランシーバにおいて、前記温度調節機能を内蔵した前記ＬＤ素子モジュールの厚さが５ｍｍ以下であり、前記筐体内で前記ＬＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板と前記ＰＤ素子モジュールを搭載した前記回路基板が厚さ方向へ積層されていることを特徴とする光トランシーバ。
7. 請求項１，２，３，４，５又は６記載の光トランシーバにおいて、前記ＬＤ素子モジュール内には、電界吸収型変調器がモノリシック集積されたＤＦＢ−ＬＤ素子に対する駆動回路が搭載され、前記筐体により電磁的にシールドされていることを特徴とする光トランシーバ。

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