JP2007155863A - 光トランシーバの放熱構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ハウジングに対し光軸を調芯すると同時に放熱を行わせるモジュールにおいて、調芯部と放熱部との間に生じる機械的応力による歪みを回避する。
【解決手段】 光モジュール10はスリーブ部11とボックス部12とを有するバタフライ型のモジュールである。スリーブ部11がハウジング4に対して固定されるが、ボックス部12は補助部材50を介してハウジング4に固定される。ボックス部12と補助部材50との間には熱伝導グリスおよび弾性部材60を介して熱的に接続されるけれでも機械的にはフリーの状態に保たれるので、スリーブ部12を固定する際の応力による歪みはボックス部との間には生じない。
【選択図】 図4

Description

本発明は、放熱特性を考慮した発光モジュールの光トランシーバ内での固定構造に関する。
第1の特許文献は、その内部にピッグテイルタイプの光モジュール(送信、受信)を搭載する光トランシーバを開示している。すなわち、各モジュール(64、94)はピッグテ−ルタイプのモジュールであり、ピグテ−ルファイバの先端に付属するコネクタがトランシーバ外部とのインターフェ−スのために筐体に装着された形態である。この種の多機能な光トランシーバの標準規格としてX2が多数の参加者のもとに定められた(X2−MSA)。当該規格には、電気的なものとしては、その通信速度が10GHz、ピンアサインなどが、機械的なものとして、筐体サイズ、使用する光コネクタ種、トランシーバとホスト装置との間の設置条件等が定められている。
合衆国特許第 5,943,461号 X2 MSA Rev. 1.0b "A Cooperation Agreement for a Small Versatile 10 Gigabit Transceiver Package", 2003年2月28日発行
10GHzもの高速の通信を実現するためには、その電気回路に特別なものが要求される。特に、使用する電子デバイスの消費電力は、GHz以下の通信速度しか要求されない場合に比較して、格段に大きくなることが予想される。さらに、多機能な光通信特性を要請されている故に、光ファイバとの光結合特性も一段と精密なものが要求される。増大する消費電力に対しては、各部品の組立を厳密なものとして、熱結合特性を満足しなければならず、その一方で光結合特性も一段の精密性が要求される、という二つの命題を満足しなければならない。
従来の光トランシーバにおいては、この二つの命題は相反するものであった。熱的結合に主眼を置いて各部品を組立てた場合には、必ずしも光結合の面で所望の特性が得られるという保障はなく、むしろ、最適な光結合特性からは劣った値しか得られない場合が多かった。逆に光結合特性を満足させた場合には、放熱対策に苦慮する事態を招くことも多かった。本発明は、この様に従来は相反する要請であった、光結合特性と熱結合特性の二つを同時に満足する新たな光トランシーバの構造、特に、熱的条件の厳しい送信側光モジュールの光トランシーバへの組み付け構造に関する、新たな機構を提供するものである。
本発明に係る光トランシーバはスリーブ部とボックス部を有する光モジュールをハウジング上に搭載した光トランシーバである。そして、スリーブ部はハウジングに対してリジッドに直接固定されているが、ボックス部は補助部材を介してハウジングに間接的に固定されている。そしてボックス部と補助部材との間は両者の相対的位置が自在になる様に保持されていることを特徴とする光トランシーバである。
ボックス部がハウジングに対して補助部材を介して間接的に固定されているので、従来の光トランシーバで問題となっていた、放熱効果を維持するためにボックス部をハウジングに密に接触させた場合に、光モジュールを二箇所でハウジングに固定することにより誘起されていた、スリーブ部とボックス部との間の位置ズレによる機械的歪みを生じることなく、モジュールをハウジングに固定することができる。
補助部材はボックス部を挟み込む様にボックス部を自身に対して固定する。さらに、両者の間には、熱伝導グリスを塗布するとともに、弾性部材を挟み込むことで、ボックス部をこの弾性部材の有する応力により補助部材に常に接触させることができる。補助部材はハウジングにリジッドに固定されるので、ボックス部内部の発熱は補助部材を介してハウジングに効率的に伝えることができる。
さらに、補助部材はハウジングに対して、ハウジングの主面に垂直な方向についてその位置を自在に固定される。一方、ボックス部は補助部材に対して、ハウジングの主面に平行な二方向についてその位置を自在に固定される。従って、ボックス部はハウジングの主面に対して三方向についてその位置を自在に固定されるので、スリーブ部をハウジングに対してリジッドに固定したとしても、ボックス部はスリーブ部をトレースする様にハウジングに固定されるので、スリーブ部とボックス部との間に機械的な歪みは生じない。
補助部材は、例えばアルミニウム(Al)などの良熱伝導性の金属材料とすることができる。金属製材料であるので、その加工に困難性は伴わない。また、弾性部材は、金属薄板に弾性爪を設けるのみで形成可能である。部品材料、あるいはその加工による価格上昇を抑えることができる材料であり形態とすることができる。
本発明に係るモジュールのハウジングへの取り付け形態によれば、モジュールのスリーブ部とハウジングとの位置関係を光結合の面からリジッドに規定しても、モジュール内で発生した熱を効率的にハウジングに放熱することが可能となる。
図1は、本発明に係る光モジュールを搭載する光トランシーバ1の外観を示している。光トランシーバ1は、大まかには、レセプタクル部1a、フランジ部1b、電子回路部1cに分けられる。レセプタクル部1aは二つの開口1d、1eを有し、これら開口はそれぞれ送信レセプタクル1d、受信レセプタクル1eに対応する。開口を囲む様にグリップ2を備え、このグリップ2を前後することで、このトランシーバ1を搭載するホストシステムから、このトランシーバ1を取り外すことが可能となる。
フランジ部1bにフランジ8を備える。このトランシーバ1をホストシステムに搭載した際には、このフランジ8より前方側(レセプタクル側)がホストシステムのフェ−スパネルから露出して、レセプタクル開口1d、1eをオ−プンにする。従って、光コネクタをホストシステムの正面側からこのレセプタクルに係合することが可能となる。フランジ部1bの後側に電子回路部1cを備えている。電子回路部1b内には回路基板6上に電子回路が搭載され、またこの電子回路は、レセプタクル開口2a、2bにその先端が突き出る様に電子回路部1cの最先端に搭載されている送信モジュール、受信モジュールと電気的に結合している。回路基板6、及び送信モジュール、受信モジュールは、上ハウジング4に対して組立てられている。また、送信モジュール、受信モジュールについては、上ハウジング4と一体に組立てられる下ハウジング5に挟まれる様に装着される。下ハウジング5の側方からは、このトランシーバ1をホストシステムに装着する際に、両者の係合状態を確実なものとする係合ピン5aが突き出ている。グリップ2を前後に動かすことでこの係合ピン5aを左右に動かし、ホストシステムとの係合状態を解除することができる。
動作速度がGHz帯を超えると、半導体レ−ザ(LD)を、その供給電流をOn/Offすることで直接変調することが次第に困難になってくる。電気信号的にはLDに供給することは問題ないが、LDから得られる発光パタ−ンについて、十分にOn/Offされなくなってくる。すなわち消光比の劣化が、この様な高周波領域では顕著になってくる。
その一つの解決手段として、LDをDC的に発光させ、出射光をLDの外部で変調する外部変調方法が知られている。外部変調器として、例えばマッハツェンダー型の導波路を用いる方法、あるいは、電界吸収効果(Electro-Absorption)を利用した半導体変調器などが知られている。図2は、LDとして単色性に優れたDFB−LD(Distributed Feedback-LD)を採用し、変調器としてEA変調器を採用したEA−DFBモジュールの外観を示している。図2(a)はその斜視図であり、図2(b)は側面図である。
このEA−DFBモジュール10は大きく箱形状のボックス部12と、このボックス部12の一側面12aから前方に伸びだすスリーブ部11とで構成される。ここで、前方は単にこのスリーブ部11が伸びだしている方向を便宜上前方と呼んでいるのみで、機能上区別されるものではない。ボックス部12は、凡そ10×5.7×5.7mmの大きさで、スリーブ部11が延び出す一側面12a、及びこの面と対向する面12cが後方側に有する。後方の面12c、側面12g、12h。および図2(a)における上面は一体整形されたセラミック製であり、前面12aはコバール等の金属により形成されている。図2(a)では隠されているが、上面12dの一部が開口されており、当該開口部をシール蓋12bが覆い、このシール蓋12bは、前面12a側面12c、12g、12hにより形成されるボックス部12の内部空間を機密封止している。セラミック製の側面の二つ、12c、12gからは複数のリ−ドピン12g、12fがそれぞれ伸びだしている。
このボックス部12の内部空間には、前記EA−DFB素子が内蔵され、また、このEA−DFB素子の温度を制御するTEC(Thermo-Electric Controller)素子、例えばペルチェ素子が該当する、が上面12dの開口内に搭載されシール蓋12bに直接接触している。シール蓋12bは良熱電導材料であり、例えばCuWを用いることができる。上面12d上にはEA部を高周波的に駆動するドライブ回路、等も搭載されている。図2(a)はボックス部12の内部については、上下反対に記載している。側壁12c(後部壁)に形成されたリ−ドピン12eからは内蔵するドライブ回路に供給する高周波信号が、側面12gに設けられたリ−ドピン12fからは、ドライブ回路、ED−DFB素子への電源線、あるいは、内蔵するペルチェ素子への電源線、等のDC、あるいは比較的低周波の信号が送受される。図2(a)、(b)の例では、これら信号線、電力線はフレキシブルプリント回路基板13a、13bを利用している。
近年、光通信システムにおける信号の高速化が進行し、数年前に既に標準的な信号スピードとして2.5 GHzの信号に十分に応答可能な光トランシーバが商品化され、現在では、このスピードが10 GHzを超えようとしている。この様に動作速度が高くなるにつれ、ボックス部に搭載されている駆動回路で消費する電力も大きくなってきている。図2の例では、駆動回路、TEC素子を内蔵するボックス部12での消費電力は1Wにもなる。このため、このボックス部での放熱についても考慮されなければならない。
スリーブ部11はボックス部12の一側面12aから伸びだした円筒状部品の集合体である。その先端部が金属製のスリーブ11aを形成し、このスリーブ11aで光ファイバの先端に付属するフェル−ルを受納する。スリーブ11aからボックス部12への根元は複数の金属製円筒状部材(11b〜11c)から構成され、スリーブ11aとボックス部12の中に収納されているEA−DFBデバイスとの間の光学的調芯機能を実現する。すなわち、EA−DFBデバイスから発した光をスリーブ11aに収納されているフェルールの、その中心に保持されている光ファイバに集光しなければならないが、この複数の金属製円筒状部材で、光軸に並行な方向(Z方向)及び垂直な方向(XY方向)の調芯を行う。調芯後にこれら金属製部材同士は、例えばYAG溶接等により永久固定される。
図3は、この様なEA−DFBモジュール10が光トランシーバ1の下ハウジング5上に搭載された時の、トランシーバ1の内部の様子を示す図である。トランシーバ1は、光レセプタクル1a、EA−DFBモジュール10、ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly)20、及び電子回路を搭載する回路基板6を含んで構成される。レセプタクル1aの二つの空間1d、1eに光コネクタが挿入され、一方、トランシーバ内ではEA−DFBのスリーブ部11aとROSAのスリーブ部21aとがそれぞれ当該空間内1d、1eに突き出ていて、光コネクタの先端に付属するフェルールとここで光結合する。下ハウジング5は本例では金属により構成されているが、樹脂製の場合もある。なお、図3に示す形態においては受信側のROSA20については、箱型のボックス部を有しない形態のROSA20を採用している。このROSA20についても、その内部にペルチェクーラ等の部品を搭載する場合には、箱型の外形を備えるROSAを用いることも可能である。
回路基板6上には、EA−DFB素子を駆動する駆動回路、あるいは、ROSA内に搭載されている受光素子により光信号から変換された電気信号を処理する回路などが搭載されている。図3の例では、これら回路は一つのIC6aにまとめられた形態を示す。回路基板6の後端には、このトランシーバ1が搭載されるホスト装置との間で信号、電源の授受を行うための電気コネクタ6bが形成されている。
EA−DFBモジュール10、及びROSA20は、レセプタクルに搭載されると同時に、両者のスリーブ(11a、21a)がラッチ部材5aに挟まれることで、下ハウジング5に対しその位置が決定される。ここで、図2(b)は、EA−DFBモジュールの平面図を示している。このEA−DFBモジュール10は、スリーブ部11の中ほど11cでラッチ部材5aにより下ハウジングに固定される。一方、ボックス部12の側面のうち、前面12aからはスリーブ部11、後方12c及び一方の側面12gからはそれぞれFPC基板が伸びだしているので、これら面12a、12c、12gを他の部材に熱的に接触させて放熱を図ることはできない。ボックス部12内部で発生した熱を効率的に放熱するためには、残る一側面12h、あるいは上下面(12b)を利用しなければならない。
効率的な放熱のためにはこれら側面12h、上下面を、例えばトランシーバ1の筐体内面に密に接触させる必要がある。その一方でスリーブ部11の中ほど11cも下ハウジング5に固定される。すなわち、この種のEA−DFBモジュール10を光トランシーバ1に搭載する際には、スリーブ11とボックス部12の両方をハウジングに対して固定しなければならない。モジュール10の機械的寸法精度、あるいは、下ハウジング5のモジュール搭載のためのの機械的寸法精度が十分に確保されている場合は問題は生じないが、スリーブ部11を光ファイバと素子との間の光結合を目標に調芯した場合、往々にしてボックス部12と筐体内面との間に隙間が生じる場合があった。この隙間を埋めるのに、ボックス部12を強く筐体に押し付けた場合には光結合効率が損なわれてしまうばかりでない、スリーブ部11のボックス部12への取り付け部分に大きな機械的歪みを誘起することになり、モジュール10の信頼を損なっていた。
図4(a)、4(b)は本発明に係る放熱、固定用の補助部材50の外観を、EA−DFBモジュール10に取り付けた状態で示している。補助部材50のみの形態は図6に示されている。補助部材50は良熱伝導特性を有する金属製部材であり、例えば、Al等により製造される。モジュール10のボックス部の開放された三つの面、12h、12b及び底面、を囲むように断面がコの字の形状を有する。ボックス部12の上面12bと、当該面に接する補助部材の上部50cとの間には熱伝導グリスを塗布し熱的接触効率を高めている。図2(a)で説明した様に、ボックス部12内で最も発熱する部品は熱電変換素子TECである。TECはボックス部12のシール蓋12bに直接接触する様に搭載されている。従って、モジュール10の上面と補助部材の一辺50cとの間に熱伝導グリスを塗布した上で両者を密に接触させることで、モジュール10内で発生した熱は効率よく補助部材に伝えることができる。
一方、ボックス部の底面と補助部材の一辺50aとの間には、弾性部材60を介在させている。この弾性部材60の存在により、ボックス部は補助部材50の上面50cに押し付けられる。上面50cとモジュール10との間には熱伝導グリスが塗布されているので、両者の間には熱的に効率的な結合が実現されている。モジュール10と補助部材50との間の横(水平)方向の相対位置については、何等の制限も受けていない。すなわち、断面コの字形状の補助部材50の側面50bとモジュール10の側面12hとの間は、空隙が形成されていてもよい。
図4(c)は補助部材50付のモジュール10を図4(a)とは反対側から俯瞰した時の様子である。補助部材50の外側面50bには、そのほぼ中央の垂直方向に一対の凸部50dを有し、当該一対の凸部50dの間に螺子穴50eが形成されている。これら凸部50dと螺子穴50eの機能については後述する。
図5(a)〜(c)は弾性部材60の一例を示している。この例では、金属製の薄板に複数のパンチ孔であって、当該複数の孔の内部にラッチ爪60aを残した形状が示されている。各爪60aは下方に軽く曲げられており、この爪によりこの弾性部材60が補助部材50とモジュール10との間に挿入された際に、モジュール10を上方に押し上げる弾性力が生まれる。爪60aの撓み量、弾性部材60の厚さ、モジュール10のボックス部12の全高の合計は、補助部材50の上下の片、50a、50cの間隔よりも大きく、また、弾性部材60の厚さとボックス部12の全高の合計は、補助部材50の上下片、50a、50cの間隔よりも小さくなければならない。さらに、ボックス部12と補助部材50の上片50cとの間のみならず、下片50aとの間であって、この弾性部材60が挿入される側にも熱電導グリスを塗布しておくことで、モジュール10からの放熱特性をさらに改善することができる。
図6(a)〜(d)は補助部材50の側面図(a)、正面図(b)、および二つの俯瞰図(c)、(d)である。補助部材60は、既に説明した様に、熱伝導性の良好な例えばAlの様な金属により構成されており、前端と後端が開放された断面がコの字の部材である。既に説明した様に、その上片50cは熱伝導グリスを塗布された上でモジュール10に密に接触し、一方、下片50aは弾性部材60、あるいは弾性部材60と熱伝導グリスを介してモジュール10に接触している。部材50の側片50bの外側に、その略中央部に上下に伸びるリブ状の突起50dが間に螺子孔50eを備えて形成されている。螺子孔50eには、この補助部材50をトランシーバ1の上ハウジング4に取り付けるための螺子が挿入される。また、突起50dは、上ハウジング4の内面に形成された溝に係合する。
図7(a)、(b)は、上に説明したEA−DFBモジュール10を搭載するトランシーバ1について、その上ハウジングを俯瞰したもの(図7(a))であり、側面図(図7(b))である。EA−DFBモジュール10は、上ハウジング4の搭載部4aに搭載される。搭載部4aの前方にはスリーブ11aを搭載するための鞍部4dも形成されている。上ハウジング4の側壁内面には垂直方向に溝4cが形成されており、かつ、溝4cの中ほどには上ハウジング4の外面にまで貫通する螺子穴4bが形成されている。補助部材50付のモジュール10は、補助部材50の外面に形成された垂直方向に伸びる突起50dが、この側壁内面に形成された溝4cに係合し、螺子穴50eが、同螺子孔4bと一致する。上ハウジング4の外部から螺子をこの螺子穴に貫通させ、補助部材50を側壁内面に密着させることで、補助部材50の上ハウジング4に対する相対位置が決定される。
この様に本発明に係る光トランシーバ1では、モジュール10のスリーブ11aも上ハウジング4にリジッドに固定されるが、モジュール10の上ハウジング4に対する前後方向及び左右方向については、補助部材50とボックス部12とはリジッドに固定されていないので、任意に調整可能である。また、上下方向については、補助部材固定用のトランシーバ側壁に形成された螺子穴が縦長に形成されているので、当該螺子位置を調整することで上下方向のズレを吸収することが可能となる。すなわち、スリーブ11aを上ハウジング4に対してリジッドに固定したとしても、機械的歪みがスリーブ部11、あるいはボックス部12に生じることはない。
すなわち、スリーブ11aを上ハウジング4に対してリジッドに固定したとしても、機械的歪みがスリーブ部11、あるいはボックス部12に生じることはない。また、モジュール10のボックス部12のシール蓋12bと補助部材の上片50cとの間は、弾性部材60に押圧力により両者の間の熱伝導グリスを介して密に接触されている。また、補助部材の側片50bと上ハウジング4の側壁との間は、螺子により密に接触固定されている。従って、モジュール10のボックス部12と上ハウジング4との間は熱的に密に接触した状態にあり、ボックス部12の内部で発生した熱を効率的にハウジング側壁に補助部材50を介して伝達することができる。
図8(a)〜(c)は、モジュール10と上ハウジング4との間の接触の状況を示す、それぞれ俯瞰図、平面図、正面図に対応する。各図では、EA−DFBモジュール10はその断面が示されている。
モジュール10はそのスリーブ部11の根元(ブロック部12にもっとも近い箇所)を、上ハウジング4に形成されている鞍部4dに載せて、上ハウジング4上に設置されている。そして、スリーブ部11の中程11cは、ラッチ部材によりハウジングにその位置が決定されると同時に固定されている。ハウジング4には、補助部材50が固定されているのみで、補助部材50とモジュール10との間には位置的な規制関係はない。ボックス部12の側面12hと補助部材50の側片50bとの間は空隙が存在し、一方、モジュール10のシールド蓋12bでグリ−スにより密に補助部材50の上片50cと、モジュール10の他方の面では弾性部材60を介在させて補助部材50の一片50aと接触しているのみである。
補助部材50のハウジング4への螺子4eによる固定、もしくは、スリーブ部11でのハウジング4への固定に合わせ、ボックス部12はその左右方向(水平方向)の位置は随意に調整できる。また、ハウジング4の側壁に設けられた螺子穴4bについては、その内径、特に垂直方向の内径が螺子4eの外径に対して大きなクリアランスを有している。したがって、補助部材50はこのクリアランス分だけ垂直方向の移動が制約されないことになり、スリーブ部11の固定に合わせて自身(ボックス部)を垂直方向に移動可能である。これは、従来のモジュールの固定で問題であった、ボックス部12の固定に際して、スリーブ部11とボックス部12との接続箇所へ誘起される機械的歪みを避けることができる。
図1は本発明に係る光トランシーバの全体を俯瞰した図である。 図2(a)は本発明に係る光モジュールを俯瞰した図であり、図2(b)は同モジュールの平面図である。 図3は、本発明に係る光トランシーバの、TOSA、ROSA、回路基板を下ハウジングに固定した様子を示す俯瞰図である。 図4(a)は、本発明に係る光モジュールを補助部材に装着した様子を示す斜視図であり、図4(b)は同側面図、図4(c)は他方から俯瞰した斜視図を示す。 図5(a)〜(c)は、本発明に係る弾性部材を示す図である。 図6(a)〜(d)は、本発明に係る補助部材を示す図である。 図7(a)は本発明に係る光モジュールを搭載する上ハウジングを示す斜視図であり、図7(b)は同側面図である。 図8(a)は本発明に係る光モジュールを搭載した上ハウジングの様子を示す斜視図であり、図8(b)は同平面図、図8(c)は同正面図を示す。
符号の説明
1 光トランシーバ
2 グリップ
4 上ハウジング
5 下ハウジング
6 回路基板
10 光モジュール
11 スリーブ部
12 ボックス部
50 補助部材
60 弾性部材

Claims (4)

  1. スリーブ部とボックス部とを有する光モジュールをハウジング上の搭載する光トランシーバにおいて、
    該スリーブ部は該ハウジングに機械的に固定され、
    該ボックス部は補助部材を介してハウジングに間接的固定され、該ボックス部と該補助部材とは相対位置自在に保持されている、
    ことを特徴とする光トランシーバ。
  2. 前記補助部材は前記ハウジングの主面に垂直方向について相対位置自在に固定され、
    前記ボックス部は前記補助部材に対し、前記ハウジングの主面に平行な2方向について相対位置自在に配置される、
    請求項1に記載の光トランシーバ。
  3. 前記補助部材と前記ボックス部との間に金属製弾性部材を介する、請求項1、2に記載の光トランシーバ。
  4. 前記補助部材はアルミニウム製である、請求項1〜3に記載の光トランシーバ。
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