JP2007273497A - Heat dissipation structure of optical module and optical communication module - Google Patents

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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the heat dissipation structure of an optical module that can effectively establish downsizing and low power consumption of an optical communication module, and to provide an optical communication module. <P>SOLUTION: A heat dissipation structure 1 is provided in an optical module 2 wherein a semiconductor laser element is mounted. The heat dissipation structure 1 includes a pair of heat transmission members 11 and 12 and a frame member 13. The heat transmission members 11 and 12 are respectively provided with heat receiving surfaces 11a and 12a along the side surface 21a of a stem 21 in the optical module 2, and they are facing each other with the stem 21 in between. The frame member 13 couples the heat transmission members 11 and 12. The coefficient of thermal expansion of the frame member 13 is smaller than those of the heat transmission members 11 and 12 and the stem 21. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光モジュールの放熱構造、及び光通信モジュールに関するものである。   The present invention relates to a heat dissipation structure for an optical module and an optical communication module.

波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)方式の光通信システムでは、複数の通信チャネルが同一の光伝送路においてそれぞれ異なる波長の光信号でもって通信を行う。従って、光通信モジュールには、光信号の波長が周辺温度の変化等によって過度に変動しないことが望まれる。光信号の波長が過度に変動すると、隣り合う波長の光信号同士が干渉してしまうからである。しかし、光信号を生成するレーザダイオードの発光波長は、その温度変化によって長波長側にシフトしてしまう。このため、レーザダイオードの温度変化を抑制するための様々な構成が考え出されている。   In a wavelength division multiplexing (WDM) optical communication system, a plurality of communication channels communicate with optical signals having different wavelengths on the same optical transmission line. Therefore, it is desirable for the optical communication module that the wavelength of the optical signal does not fluctuate excessively due to a change in ambient temperature or the like. This is because if the wavelength of the optical signal fluctuates excessively, the optical signals of adjacent wavelengths will interfere with each other. However, the emission wavelength of the laser diode that generates the optical signal is shifted to the longer wavelength side due to the temperature change. For this reason, various configurations for suppressing the temperature change of the laser diode have been devised.

例えば、特許文献1に開示されたレーザモジュールでは、いわゆるバタフライ型のレーザモジュールにおいて、レーザダイオードをペルチェ素子上に搭載し、ペルチェ素子の熱電効果を利用してレーザダイオードの温度を一定に制御している。また、特許文献2に開示されたレーザダイオードモジュールや、特許文献3に記載された半導体レーザモジュールでは、レーザダイオードを内蔵するCANパッケージの外側にペルチェ素子を配置している。また、特許文献4〜6のそれぞれに開示された各モジュールでは、CANパッケージの内部にペルチェ素子を配置し、このペルチェ素子上にレーザダイオードを搭載している。   For example, in the laser module disclosed in Patent Document 1, in a so-called butterfly type laser module, a laser diode is mounted on a Peltier element, and the temperature of the laser diode is controlled to be constant using the thermoelectric effect of the Peltier element. Yes. Further, in the laser diode module disclosed in Patent Document 2 and the semiconductor laser module described in Patent Document 3, a Peltier element is arranged outside the CAN package containing the laser diode. In each of the modules disclosed in Patent Documents 4 to 6, a Peltier element is arranged inside the CAN package, and a laser diode is mounted on the Peltier element.

特開2004−134776号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-134776 特開2005−050844号公報JP-A-2005-050844 特開平7−131106号公報JP-A-7-131106 特開2005−303242号公報JP-A-2005-303242 特開2005−086094号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-086094 米国特許出願公開第2003/021310号明細書US Patent Application Publication No. 2003/021310

上記特許文献1〜6に記載された各モジュールは、いずれもペルチェ素子を利用してレーザダイオードの温度を制御している。しかしながら、光通信モジュールには、光通信装置の更なる高密度実装のために低消費電力化及び小型化が求められる。ペルチェ素子を設けると、その駆動回路も含めて比較的大きな設置スペースが必要となり、小型化を妨げる要因となる。また、ペルチェ素子において消費される電力は、レーザダイオード及びその周辺回路において消費される電力と比較して遥かに大きいので、低消費電力化を妨げる要因にもなる。   Each of the modules described in Patent Documents 1 to 6 uses a Peltier element to control the temperature of the laser diode. However, the optical communication module is required to have low power consumption and miniaturization for further high-density mounting of the optical communication device. If a Peltier element is provided, a relatively large installation space including its drive circuit is required, which is a factor that hinders downsizing. In addition, the power consumed in the Peltier element is much larger than the power consumed in the laser diode and its peripheral circuits, which is a factor that hinders the reduction in power consumption.

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる光モジュールの放熱構造、及び光通信モジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an optical module heat dissipation structure and an optical communication module that can effectively realize downsizing and low power consumption of the optical communication module. .

上記課題を解決するため、本発明に係る光モジュールの放熱構造は、半導体光素子、及び該半導体光素子を搭載するステムを備える光モジュールの放熱構造であって、ステムの側面に沿った受熱面を有し、ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、複数の伝熱部材同士を互いに連結するフレーム部材とを備え、フレーム部材の熱膨張率が、伝熱部材及びステムそれぞれの熱膨張率よりも小さいことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an optical module heat dissipation structure according to the present invention is an optical module heat dissipation structure including a semiconductor optical element and a stem on which the semiconductor optical element is mounted, and a heat receiving surface along a side surface of the stem. A plurality of heat transfer members disposed around the stem and a frame member that connects the plurality of heat transfer members to each other, and the coefficient of thermal expansion of the frame member is the heat of each of the heat transfer member and the stem. It is characterized by being smaller than the expansion coefficient.

上記した光モジュールの放熱構造においては、フレーム部材の熱膨張率が伝熱部材及びステムそれぞれの熱膨張率よりも小さい。従って、周囲温度(環境温度)が低下して伝熱部材及びステムが収縮してもフレーム部材はそれほど収縮しないので、このフレーム部材に連結された各伝熱部材の位置はほぼ一定となる。これにより、伝熱部材の受熱面とステムの側面とが互いに離れる方向に収縮し、伝熱部材の受熱面とステムの側面との接触圧が低下する。そして、伝熱部材とステムとの接触圧が低いほど、伝熱部材とステムとの間の熱抵抗は大きくなる。従って、上記した光モジュールの放熱構造によれば、周囲温度が低いほど、半導体光素子からの熱がステムを介して伝熱部材へ伝わりにくくなるので、半導体光素子の温度は周囲温度よりも高く保たれる。   In the heat dissipation structure of the optical module described above, the thermal expansion coefficient of the frame member is smaller than the thermal expansion coefficients of the heat transfer member and the stem. Therefore, even if the ambient temperature (environmental temperature) decreases and the heat transfer member and the stem contract, the frame member does not contract so much, and the position of each heat transfer member connected to the frame member becomes substantially constant. As a result, the heat receiving surface of the heat transfer member and the side surface of the stem contract in a direction away from each other, and the contact pressure between the heat receiving surface of the heat transfer member and the side surface of the stem decreases. The lower the contact pressure between the heat transfer member and the stem, the greater the thermal resistance between the heat transfer member and the stem. Therefore, according to the heat dissipation structure of the optical module described above, the lower the ambient temperature, the more difficult the heat from the semiconductor optical device is transmitted to the heat transfer member via the stem, so the temperature of the semiconductor optical device is higher than the ambient temperature. Kept.

これとは逆に、周囲温度が上昇して伝熱部材及びステムが膨張すると、伝熱部材の受熱面とステムの側面とが互いに押し合う方向に膨張し、伝熱部材の受熱面とステムの側面との接触圧が増加する。そして、伝熱部材とステムとの接触圧が高いほど、伝熱部材とステムとの間の熱抵抗は小さくなる。従って、上記した光モジュールの放熱構造によれば、周囲温度が高いほど、半導体光素子からの熱がステムを介して伝熱部材へ伝わり易くなるので、半導体光素子の温度は周囲温度に近づくこととなる。   On the other hand, when the ambient temperature rises and the heat transfer member and the stem expand, the heat receiving surface of the heat transfer member and the side surface of the stem expand in a direction in which they are pressed against each other. Contact pressure with the side increases. And the higher the contact pressure between the heat transfer member and the stem, the smaller the thermal resistance between the heat transfer member and the stem. Therefore, according to the heat dissipation structure of the optical module described above, the higher the ambient temperature, the easier the heat from the semiconductor optical device is transferred to the heat transfer member through the stem, so the temperature of the semiconductor optical device approaches the ambient temperature. It becomes.

これらのように、上記した光モジュールの放熱構造によれば、複数の伝熱部材やフレーム部材といった、電力供給や制御回路を必要としない構成によって半導体光素子の温度を調整できる。従って、ペルチェ素子を利用する従来の構成と比較して、光モジュールが搭載される光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる。   As described above, according to the heat dissipation structure of the optical module described above, the temperature of the semiconductor optical device can be adjusted by a configuration that does not require power supply or a control circuit, such as a plurality of heat transfer members and frame members. Therefore, as compared with a conventional configuration using a Peltier element, it is possible to effectively realize downsizing and low power consumption of the optical communication module on which the optical module is mounted.

ステムが円板状であり、複数の伝熱部材の受熱面が、ステムの側面に沿った曲面状に形成されており、受熱面の曲率半径が、ステムの側面の曲率半径と同じか或いはステムの側面の曲率半径よりも一割以下の差で小さいことを特徴としてもよい。これにより、円板状のステムに対する伝熱部材の密着性が増すので、接触圧と熱抵抗との上述した関係をより好適に実現できる。   The stem is disc-shaped, and the heat receiving surfaces of the plurality of heat transfer members are formed in a curved shape along the side surface of the stem, and the curvature radius of the heat receiving surface is the same as the curvature radius of the side surface of the stem or the stem It may be characterized by being smaller by a difference of 10% or less than the radius of curvature of the side surface. Thereby, since the adhesiveness of the heat-transfer member with respect to a disk shaped stem increases, the above-described relationship between the contact pressure and the thermal resistance can be realized more suitably.

また、光モジュールの放熱構造は、一対の伝熱部材がステムを挟んで対向配置されており、フレーム部材が、一対の伝熱部材を互いに連結していることを特徴としてもよい。これにより、上述した放熱構造を簡易な構成によって実現できる。なお、この光モジュールの放熱構造においては、一対の伝熱部材を一つのフレーム部材が連結してもよく、或いは、一対のフレーム部材が一対の伝熱部材の両端をそれぞれ連結してもよい。   Further, the heat dissipation structure of the optical module may be characterized in that a pair of heat transfer members are disposed to face each other with a stem interposed therebetween, and a frame member connects the pair of heat transfer members to each other. Thereby, the heat dissipation structure mentioned above is realizable by simple structure. In the heat dissipation structure of the optical module, a pair of heat transfer members may be connected to one frame member, or a pair of frame members may connect both ends of the pair of heat transfer members.

また、本発明に係る光通信モジュールは、半導体光素子、及び該半導体素子を搭載するステムを備える光モジュールと、ステムの側面に沿った受熱面を有し、ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、複数の伝熱部材を互いに連結するフレーム部材と、光モジュール、複数の伝熱部材、及びフレーム部材を収容する筐体とを備え、フレーム部材の熱膨張率が、伝熱部材及びステムそれぞれの熱膨張率よりも小さく、少なくとも一つの伝熱部材が、筐体に熱的に接触していることを特徴とする。これにより、半導体光素子の温度を好適に調整できるとともに、光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる。また、伝熱部材が筐体に熱的に接触しているので、光モジュールから複数の伝熱部材へ逃げた熱を、筐体を介して光通信モジュールの外部へ好適に放出できる。   An optical communication module according to the present invention includes a semiconductor optical device, an optical module including a stem on which the semiconductor device is mounted, and a heat receiving surface along a side surface of the stem, and a plurality of components disposed around the stem. A heat transfer member, a frame member that couples the plurality of heat transfer members to each other, an optical module, a plurality of heat transfer members, and a housing that houses the frame member. And at least one heat transfer member that is smaller than the coefficient of thermal expansion of each of the stems and is in thermal contact with the housing. Thereby, the temperature of the semiconductor optical device can be suitably adjusted, and the optical communication module can be effectively reduced in size and power consumption. In addition, since the heat transfer member is in thermal contact with the housing, the heat escaped from the optical module to the plurality of heat transfer members can be suitably released to the outside of the optical communication module through the housing.

なお、上記した光通信モジュールにおいて、伝熱部材が筐体に熱的に接触するとは、伝熱部材と筐体とが直接接触する形態のほか、筐体と同等以上の熱伝導率を有する部材を伝熱部材と筐体との間に介在させる形態や、或いは伝熱部材及び筐体のそれぞれと密着可能な放熱シート等の部材を伝熱部材と筐体との間に挟むような形態を含む。   In the optical communication module described above, the heat transfer member is in thermal contact with the housing means that the heat transfer member and the housing are in direct contact with each other, or a member having a thermal conductivity equal to or higher than that of the housing. In which the heat transfer member is interposed between the heat transfer member and the housing, or the heat transfer member and a member such as a heat dissipation sheet that can be in close contact with the housing are sandwiched between the heat transfer member and the housing. Including.

また、光通信モジュールは、伝熱部材と筐体との間に設けられた放熱シートを更に備えることを特徴としてもよい。これにより、伝熱部材と筐体との間の熱抵抗を低減できるので、光モジュールからの熱を光通信モジュールの外部へより効率よく放出できる。   Further, the optical communication module may further include a heat radiating sheet provided between the heat transfer member and the housing. Thereby, since the thermal resistance between the heat transfer member and the housing can be reduced, the heat from the optical module can be released more efficiently to the outside of the optical communication module.

本発明による光モジュールの放熱構造及び光通信モジュールによれば、光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる。   According to the heat dissipation structure of an optical module and the optical communication module according to the present invention, it is possible to effectively realize downsizing and low power consumption of the optical communication module.

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光モジュールの放熱構造及び光通信モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an optical module heat dissipation structure and an optical communication module according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1及び図2は、本実施形態に係る光モジュールの放熱構造1の構成を示す図である。図1は、放熱構造1の斜視図であり、図2は、放熱構造1の分解斜視図である。   FIG.1 and FIG.2 is a figure which shows the structure of the thermal radiation structure 1 of the optical module which concerns on this embodiment. FIG. 1 is a perspective view of the heat dissipation structure 1, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the heat dissipation structure 1.

放熱構造1は、半導体光素子を内蔵する光モジュール2において発生する熱を、該光モジュール2が搭載される装置(光通信モジュール等)の外部へ放出するための構造である。ここで、光モジュール2は、半導体光素子として例えば半導体レーザ素子(レーザダイオード)を内蔵している。なお、光モジュール2は、半導体光素子としてフォトダイオードなどの受光素子を内蔵してもよい。また、本実施形態において放熱対象となる光モジュール2はCAN型のパッケージを有する光モジュールであって、半導体光素子を搭載するための円板状のステム21と、ステム21上において半導体光素子を覆う金属製の円筒部23とを有する。ステム21には、レーザダイオードへの駆動電流の供給(または、フォトダイオードからの信号電流の取り出し)等に用いられる複数のリードピン22が、一部のリードピン22を除き該ステム21を貫通して設けられている。   The heat dissipation structure 1 is a structure for releasing heat generated in the optical module 2 containing the semiconductor optical element to the outside of a device (such as an optical communication module) on which the optical module 2 is mounted. Here, the optical module 2 includes, for example, a semiconductor laser element (laser diode) as a semiconductor optical element. The optical module 2 may incorporate a light receiving element such as a photodiode as a semiconductor optical element. The optical module 2 to be radiated in the present embodiment is an optical module having a CAN type package, and includes a disc-shaped stem 21 for mounting a semiconductor optical device, and a semiconductor optical device on the stem 21. And a cylindrical portion 23 made of metal. The stem 21 is provided with a plurality of lead pins 22 used for supplying a drive current to the laser diode (or taking out a signal current from the photodiode) and the like except for some lead pins 22. It has been.

放熱構造1は、複数(本実施形態では一対)の伝熱部材11及び12と、フレーム部材13とを備える。フレーム部材13は、本実施形態においては矩形パイプの形状を有する。伝熱部材11及び12は、ステム21とほぼ同程度の大きさのブロック状の部材であり、光モジュール2のステム21の周囲に並んで配置されている。なお、本実施形態では、伝熱部材11及び12が対になっているため、伝熱部材11及び12はステム21を挟んで対向配置されている。   The heat dissipation structure 1 includes a plurality (a pair in this embodiment) of heat transfer members 11 and 12 and a frame member 13. In this embodiment, the frame member 13 has a rectangular pipe shape. The heat transfer members 11 and 12 are block-like members having approximately the same size as the stem 21, and are arranged side by side around the stem 21 of the optical module 2. In this embodiment, since the heat transfer members 11 and 12 are paired, the heat transfer members 11 and 12 are opposed to each other with the stem 21 in between.

伝熱部材11及び12は、ステム21の側面21aに沿った受熱面11a及び12aをそれぞれ有する。受熱面11a及び12aは、ステム21の側面21aに沿った曲面状に形成されている。図1に示すように、放熱構造1と光モジュール2とは、受熱面11a及び12aに囲まれた空間にステム21が嵌合される位置関係にある。なお、受熱面11a及び12aとステム21の側面21aとの間には、放熱シートやシリコングリース等の放熱用部材は介在しない。   The heat transfer members 11 and 12 have heat receiving surfaces 11a and 12a along the side surface 21a of the stem 21, respectively. The heat receiving surfaces 11 a and 12 a are formed in a curved shape along the side surface 21 a of the stem 21. As shown in FIG. 1, the heat dissipation structure 1 and the optical module 2 are in a positional relationship in which the stem 21 is fitted in the space surrounded by the heat receiving surfaces 11a and 12a. Note that a heat radiating member such as a heat radiating sheet or silicon grease is not interposed between the heat receiving surfaces 11 a and 12 a and the side surface 21 a of the stem 21.

より好ましくは、受熱面11a及び12bの曲率半径が、ステム21の曲率半径と同じか、或いはステム21の側面21aの曲率半径よりも僅かに小さい(具体的には、側面21aの曲率半径の一割以下の差で小さい)とよい。そして、放熱構造1が温度上昇した際に、伝熱部材11及び12がステム21を締め付ける仕組みになっているとよい。   More preferably, the curvature radii of the heat receiving surfaces 11a and 12b are the same as the curvature radius of the stem 21 or slightly smaller than the curvature radius of the side surface 21a of the stem 21 (specifically, one of the curvature radii of the side surface 21a). It is good if the difference is less than 10%. And when the heat dissipation structure 1 rises in temperature, the heat transfer members 11 and 12 may be configured to tighten the stem 21.

また、伝熱部材11及び12は、受熱面11a及び12aとは反対側に放熱面11b及び12bをそれぞれ有する。放熱面11b及び12bは、放熱構造1及び光モジュール2が搭載される装置(光通信モジュール等)の筐体等に直接または放熱シート等を介して接触し、光モジュール2において発生した熱を該筐体へ伝えるための面である。なお、放熱面11b及び12bは、接触する筐体等との接触面積を確保するために平坦であることが好ましいが、接触する筐体等の形状に応じた起伏を有していてもよい。   Moreover, the heat-transfer members 11 and 12 have the heat radiating surfaces 11b and 12b on the opposite side to the heat receiving surfaces 11a and 12a, respectively. The heat radiating surfaces 11b and 12b are in direct contact with a housing or the like of a device (such as an optical communication module) on which the heat radiating structure 1 and the optical module 2 are mounted or through a heat radiating sheet, and the heat generated in the optical module 2 is It is a surface for transmitting to the housing. The heat radiating surfaces 11b and 12b are preferably flat in order to secure a contact area with the casing or the like that comes into contact, but may have undulations corresponding to the shape of the casing or the like that comes into contact.

フレーム部材13は、伝熱部材11及び12同士を互いに連結するための部材である。本実施形態では、環状のフレーム部材13が、一対の伝熱部材11及び12を互いに連結している。具体的には、環状のフレーム部材13の一部が伝熱部材11内を貫通しており、フレーム部材13の他の一部が伝熱部材12内を貫通している。また、フレーム部材13は、伝熱部材11及び12の一方の端面(一端)11c及び12cから露出した棒状の部分と、伝熱部材11及び12の他方の端面(他端)11d及び12dから露出した別の棒状の部分とを有する。そして、これらの棒状の部分は伝熱部材11及び12の並設方向に延びている。   The frame member 13 is a member for connecting the heat transfer members 11 and 12 to each other. In the present embodiment, an annular frame member 13 connects the pair of heat transfer members 11 and 12 to each other. Specifically, a part of the annular frame member 13 passes through the heat transfer member 11, and another part of the frame member 13 passes through the heat transfer member 12. Further, the frame member 13 is exposed from a rod-shaped portion exposed from one end face (one end) 11c and 12c of the heat transfer members 11 and 12, and from the other end face (other end) 11d and 12d of the heat transfer members 11 and 12. And another bar-shaped part. These rod-shaped portions extend in the direction in which the heat transfer members 11 and 12 are juxtaposed.

また、フレーム部材13を構成する材質は、伝熱部材11及び12並びにステム21を構成する材質よりも熱膨張率(線膨張係数)が小さい。具体的には、フレーム部材13は例えば熱膨張率が極めて小さなスーパーインバー(Super Invar、不変鋼ともいう:熱膨張率は0.8ppm程度)を主に含んで構成されるとよい。また、伝熱部材11及び12は、例えば高熱伝導性の樹脂(ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂など:熱膨張率は12〜26ppm程度)を主に含んで構成されるとよい。なお、ステム21は、一般的にはコバール材(ニッケル及びコバルトを鉄に配合した合金:熱膨張率は5ppm程度)といった低熱膨張率の金属材料からなる。   The material constituting the frame member 13 has a smaller coefficient of thermal expansion (linear expansion coefficient) than the materials constituting the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21. Specifically, the frame member 13 is preferably configured to mainly include, for example, super invar (also referred to as super invar, invariable steel: the thermal expansion coefficient is about 0.8 ppm) having a very small thermal expansion coefficient. In addition, the heat transfer members 11 and 12 may be configured to mainly include, for example, a high thermal conductivity resin (polyphenylene sulfide (PPS) resin or the like: the coefficient of thermal expansion is about 12 to 26 ppm). The stem 21 is generally made of a metal material having a low thermal expansion coefficient such as a Kovar material (an alloy in which nickel and cobalt are mixed with iron: a thermal expansion coefficient is about 5 ppm).

なお、上記構成を有する放熱構造1は、いわゆるインサートモールド技術によって容易に製造できる。すなわち、フレーム部材13を鋳出成型用の金型に収め、伝熱部材11及び12となる樹脂をこの金型内に流し込んで硬化させることにより、伝熱部材11及び12とフレーム部材13とが一体化された放熱構造1を容易に製造できる。   In addition, the thermal radiation structure 1 which has the said structure can be easily manufactured with what is called an insert mold technique. That is, the frame member 13 is housed in a casting mold, and the resin to be the heat transfer members 11 and 12 is poured into the mold and cured, so that the heat transfer members 11 and 12 and the frame member 13 are made. The integrated heat dissipation structure 1 can be easily manufactured.

続いて、上述した放熱構造1及び光モジュール2を備える光通信モジュールについて説明する。図3〜6は、本実施形態の光通信モジュール10の構成を示す図である。これらのうち、図3は、光通信モジュール10の外観を示す斜視図である。また、図4は、光通信モジュール10の詳細な構成を示す分解斜視図である。また、図5は、光通信モジュール10における放熱構造1付近の構成を拡大して示す拡大斜視図である。なお、この図5においては、理解を容易にするため、光通信モジュール10のカバー53(後述)が外された状態を示している。また、図6は、図5のI−I線に沿った光通信モジュール10の拡大断面図である。   Subsequently, an optical communication module including the heat dissipation structure 1 and the optical module 2 described above will be described. 3-6 is a figure which shows the structure of the optical communication module 10 of this embodiment. Among these, FIG. 3 is a perspective view showing an appearance of the optical communication module 10. FIG. 4 is an exploded perspective view showing a detailed configuration of the optical communication module 10. FIG. 5 is an enlarged perspective view showing an enlarged configuration in the vicinity of the heat dissipation structure 1 in the optical communication module 10. FIG. 5 shows a state in which the cover 53 (described later) of the optical communication module 10 is removed for easy understanding. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the optical communication module 10 taken along line II in FIG.

本実施形態の光通信モジュール10は、光通信においてプラガブル光データリンクとして採用されるプラガブルトランシーバであって、半導体レーザ素子を搭載した光(送信)モジュール2、及び受光素子を搭載した光(受信)モジュール3の双方を備え、光ネットワークを介して光信号を送受信することができる。光通信モジュール10は、ホスト機器のケージ(スロット)内に挿抜自在に挿入されることができ、ケージ(スロット)内に配置されたホストコネクタに着脱自在に接続される。   The optical communication module 10 of the present embodiment is a pluggable transceiver that is employed as a pluggable optical data link in optical communication, and includes an optical (transmission) module 2 equipped with a semiconductor laser element and an optical (reception) equipped with a light receiving element. Both of the modules 3 are provided, and an optical signal can be transmitted and received via an optical network. The optical communication module 10 can be removably inserted into a cage (slot) of a host device, and is detachably connected to a host connector disposed in the cage (slot).

光通信モジュール10は、図4に示すように、放熱構造1と、光モジュール2及び3と、光モジュール2の半導体レーザ素子及び光モジュール3の受光素子と電気的に接続された回路基板4と、光モジュール2及び3並びに回路基板4を収容する筐体5とを備える。   As shown in FIG. 4, the optical communication module 10 includes a heat dissipation structure 1, optical modules 2 and 3, a circuit board 4 electrically connected to the semiconductor laser element of the optical module 2 and the light receiving element of the optical module 3. , Optical modules 2 and 3, and a housing 5 that houses the circuit board 4.

筐体5は、光通信モジュール10の基本骨格を成す枠材51と、光通信モジュール10の上面壁を構成すると共に回路基板4の放熱を行う放熱板52と、光通信モジュール10の底面壁53a及びこの底面壁53aに直交する一対の側面壁53b,53cを有するカバー53とを含んで構成されている。枠材51は例えば樹脂製であり、カバー53は例えば金属製である。   The housing 5 includes a frame member 51 that forms a basic skeleton of the optical communication module 10, a heat dissipating plate 52 that constitutes the upper surface wall of the optical communication module 10 and that radiates heat from the circuit board 4, and a bottom wall 53 a of the optical communication module 10. And a cover 53 having a pair of side walls 53b and 53c orthogonal to the bottom wall 53a. The frame material 51 is made of resin, for example, and the cover 53 is made of metal, for example.

枠材51は、光モジュール2の半導体レーザ素子と光結合される光コネクタ、及び光モジュール3の受光素子と光結合される光コネクタ(ともに不図示)を着脱可能に受容するレセプタクル54と一体的に形成されている。なお、レセプタクル54の外側面には、光通信モジュール10の挿抜を容易にするためのベイル(取手)57及びアクチュエータ58が取り付けられる。また、枠材51の中央には開口部51aが形成されている。放熱板52は回路基板4側に突き出す厚肉部52aを有し、この厚肉部52aが枠材51の開口部51a内に挿入され、枠材51に固定されている。放熱板52の厚肉部52aは回路基板4に接触しており、放熱板52は、回路基板4に実装された電子部品41等からの熱を光通信モジュール10の外部へ放出する。   The frame member 51 is integrated with a receptacle 54 that detachably receives an optical connector optically coupled to the semiconductor laser element of the optical module 2 and an optical connector optically coupled to the light receiving element of the optical module 3 (both not shown). Is formed. A bail (handle) 57 and an actuator 58 for facilitating insertion / removal of the optical communication module 10 are attached to the outer surface of the receptacle 54. An opening 51 a is formed at the center of the frame member 51. The heat radiating plate 52 has a thick part 52 a protruding toward the circuit board 4, and the thick part 52 a is inserted into the opening 51 a of the frame member 51 and fixed to the frame member 51. The thick part 52 a of the heat radiating plate 52 is in contact with the circuit board 4, and the heat radiating plate 52 radiates heat from the electronic component 41 or the like mounted on the circuit board 4 to the outside of the optical communication module 10.

回路基板4の前端部には、光モジュール2及び3のそれぞれに突設されたリードピン22及び32がはんだ等によって固定されている。また、回路基板4の後端部は、ホストコネクタに嵌合するカードエッジ部(カードエッジコネクタ)4aとなっている。光モジュール2及び3並びに回路基板4は、枠材51に固定されている。そして、光モジュール2及び3は、レセプタクル54の所定の位置に配置された状態で、タブプレート56により固定されている。   Lead pins 22 and 32 projecting from the optical modules 2 and 3 are fixed to the front end of the circuit board 4 with solder or the like. The rear end portion of the circuit board 4 is a card edge portion (card edge connector) 4a that fits into the host connector. The optical modules 2 and 3 and the circuit board 4 are fixed to a frame member 51. The optical modules 2 and 3 are fixed by a tab plate 56 in a state where the optical modules 2 and 3 are arranged at predetermined positions of the receptacle 54.

筐体5の内部において、放熱構造1は、図1に示した態様でもって光モジュール2の周囲に配置されている。なお、本実施形態では半導体レーザ素子を搭載する光モジュール2に放熱構造1を設けているが、受光素子を搭載する光モジュール3に同様の放熱構造を設けても良く、或いは光モジュール2及び3の双方に同様の放熱構造を設けても良い。   Inside the housing 5, the heat dissipation structure 1 is arranged around the optical module 2 in the form shown in FIG. 1. In this embodiment, the heat dissipation structure 1 is provided in the optical module 2 on which the semiconductor laser element is mounted. However, a similar heat dissipation structure may be provided in the optical module 3 on which the light receiving element is mounted, or the optical modules 2 and 3. Both of them may be provided with the same heat dissipation structure.

また、放熱構造1の伝熱部材11及び12は、筐体5と熱的に接触している。すなわち、伝熱部材11及び12は、例えば筐体5と直接接触している。或いは、筐体5と同等以上の熱伝導性を有する部材が伝熱部材11及び12と筐体5との間に介在している。或いは、伝熱部材11及び12と筐体5との双方に密着可能な部材が伝熱部材11及び12と筐体5との間に挟まれている。例えば、本実施形態の光通信モジュール10は、図6に示すように、伝熱部材11の放熱面11bとカバー53の底面壁53aとの間に放熱シート9aを備えている。放熱シート9aは、熱伝導性のよいシート状の部材の両面に粘着物質が塗布された構造を有しており、放熱面11b及び底面壁53aのそれぞれに密着して設けられている。放熱シート9aは、一般のプラスチック材料よりも熱伝導性が高いゲル状の粘弾性物質によって構成されており、底面壁53aや放熱面11bの表面に存在する微小な凹凸に沿って該粘弾性物質が底面壁53aや放熱面11bに密着することにより、伝熱に寄与する面積を拡大し、熱伝達量の増大に寄与する。また、光通信モジュール10は、伝熱部材12の放熱面12bと放熱板52との間に放熱シート9bを備えている。放熱シート9bは、放熱シート9aと同様の構造を有しており、放熱面12b及び放熱板52のそれぞれに密着して設けられている。   Further, the heat transfer members 11 and 12 of the heat dissipation structure 1 are in thermal contact with the housing 5. That is, the heat transfer members 11 and 12 are in direct contact with the housing 5, for example. Alternatively, a member having a thermal conductivity equal to or higher than that of the housing 5 is interposed between the heat transfer members 11 and 12 and the housing 5. Alternatively, a member that can be in close contact with both the heat transfer members 11 and 12 and the housing 5 is sandwiched between the heat transfer members 11 and 12 and the housing 5. For example, as shown in FIG. 6, the optical communication module 10 of the present embodiment includes a heat radiation sheet 9 a between the heat radiation surface 11 b of the heat transfer member 11 and the bottom wall 53 a of the cover 53. The heat radiating sheet 9a has a structure in which an adhesive substance is applied to both surfaces of a sheet-like member having good thermal conductivity, and is provided in close contact with each of the heat radiating surface 11b and the bottom wall 53a. The heat radiating sheet 9a is made of a gel-like viscoelastic substance having a higher thermal conductivity than a general plastic material, and the viscoelastic substance is formed along minute irregularities present on the bottom wall 53a and the heat radiating surface 11b. Is closely attached to the bottom wall 53a and the heat radiating surface 11b, thereby expanding the area contributing to heat transfer and contributing to an increase in the amount of heat transfer. Further, the optical communication module 10 includes a heat radiating sheet 9 b between the heat radiating surface 12 b of the heat transfer member 12 and the heat radiating plate 52. The heat radiating sheet 9b has the same structure as the heat radiating sheet 9a, and is provided in close contact with each of the heat radiating surface 12b and the heat radiating plate 52.

次に、光通信モジュール10が放熱構造1を備えることによる作用効果について説明する。本実施形態の放熱構造1においては、フレーム部材13の熱膨張率が伝熱部材11,12及びステム21それぞれの熱膨張率よりも小さい。従って、光通信モジュール10の周囲温度が低下して伝熱部材11,12及びステムが収縮してもフレーム部材13はそれほど収縮せず、このフレーム部材13に連結された各伝熱部材11,12の位置(詳細には、伝熱部材11,12とフレーム部材13との結合点の位置)はほぼ一定となる。これにより、伝熱部材11,12及びステム21は、受熱面11a,12aと側面21aとが互いに離れる方向にそれぞれ収縮する。従って、周囲温度が低下すると、伝熱部材11,12の受熱面11a,12aとステム21の側面21aとの接触圧が低下し、さらに低温になると部分的に隙間が生じる。   Next, the function and effect of the optical communication module 10 including the heat dissipation structure 1 will be described. In the heat dissipation structure 1 of the present embodiment, the thermal expansion coefficient of the frame member 13 is smaller than the thermal expansion coefficients of the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21. Therefore, even if the ambient temperature of the optical communication module 10 decreases and the heat transfer members 11 and 12 and the stem contract, the frame member 13 does not contract so much, and the heat transfer members 11 and 12 connected to the frame member 13 do not contract. The position (specifically, the position of the coupling point between the heat transfer members 11, 12 and the frame member 13) is substantially constant. Accordingly, the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 contract in the direction in which the heat receiving surfaces 11a and 12a and the side surface 21a are separated from each other. Therefore, when the ambient temperature decreases, the contact pressure between the heat receiving surfaces 11a and 12a of the heat transfer members 11 and 12 and the side surface 21a of the stem 21 decreases.

逆に、光通信モジュール10の周囲温度が上昇して伝熱部材11,12及びステム21が膨張すると、伝熱部材11,12及びステム21は、受熱面11a,12aと側面21aとが互いに押し合う方向にそれぞれ膨張する。従って、周囲温度が上昇すると、伝熱部材11,12の受熱面11a,12aとステム21の側面21aとの接触圧が増加する。   Conversely, when the ambient temperature of the optical communication module 10 rises and the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 expand, the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 are pressed against each other by the heat receiving surfaces 11a and 12a and the side surface 21a. Each expands in the direction of fit. Therefore, when the ambient temperature rises, the contact pressure between the heat receiving surfaces 11a and 12a of the heat transfer members 11 and 12 and the side surface 21a of the stem 21 increases.

ここで、図7は、光通信モジュール10の周囲温度(環境温度、単位[℃])と伝熱部材11,12及びステム21の接触圧(単位[MPa])との相関の典型例を示すグラフである。なお、図7は、伝熱部材11,12に高熱伝導性PPS樹脂を用い、フレーム部材13にスーパーインバーを用い、ステム21にコバール材を使用した場合の計算結果である。   Here, FIG. 7 shows a typical example of the correlation between the ambient temperature (environment temperature, unit [° C.]) of the optical communication module 10 and the contact pressure (unit [MPa]) of the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21. It is a graph. FIG. 7 shows the calculation results when the heat transfer members 11 and 12 are made of high thermal conductivity PPS resin, the frame member 13 is made of super invar, and the stem 21 is made of Kovar material.

図7に示すように、本計算例では25℃付近で伝熱部材11,12とステム21とが互いに接触し、以降、温度上昇に伴い両者間の接触圧が線形に増加していることがわかる。このように、伝熱部材11,12とステム21とが互いに接触した状態であれば、その接触圧は周囲温度に比例して上下する。なお、この計算結果は、25℃より低い周囲温度では伝熱部材11,12とステム21とが互いに離れるものとして算出されているが、受熱面11a,12aの曲率半径をステム21の側面21aの曲率半径よりも小さくし、伝熱部材11,12の形状による弾性効果を利用することによって、接触状態と非接触状態との境界をより緩やかな挙動にすることもできる。また、本実施形態のようにステム21が円板状である場合、その側面21aに対する伝熱部材11,12の受熱面11a,12aの僅かな滑りを考慮しても、これらの接触圧はほぼ周囲温度に比例する。   As shown in FIG. 7, in this calculation example, the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 are in contact with each other at around 25 ° C., and thereafter, the contact pressure between both increases linearly as the temperature rises. Recognize. Thus, if the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 are in contact with each other, the contact pressure increases and decreases in proportion to the ambient temperature. This calculation result is calculated on the assumption that the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 are separated from each other at an ambient temperature lower than 25 ° C., but the curvature radius of the heat receiving surfaces 11a and 12a is set to the value of the side surface 21a of the stem 21. By making it smaller than the radius of curvature and utilizing the elastic effect of the shape of the heat transfer members 11 and 12, the boundary between the contact state and the non-contact state can be made more gentle. Further, when the stem 21 has a disc shape as in the present embodiment, even if slight slip of the heat receiving surfaces 11a, 12a of the heat transfer members 11, 12 with respect to the side surface 21a is taken into consideration, these contact pressures are almost equal. Proportional to ambient temperature.

また、図8は、伝熱部材11,12とステム21との間の接触圧(単位[MPa])と熱抵抗(単位[℃/W])との相関の典型例を示すグラフである。なお、この図8においても、伝熱部材11,12、フレーム部材13、及びステム21には図7と同様の材料を使用している。   FIG. 8 is a graph showing a typical example of the correlation between the contact pressure (unit [MPa]) between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 and the thermal resistance (unit [° C./W]). In FIG. 8, the same materials as those in FIG. 7 are used for the heat transfer members 11 and 12, the frame member 13, and the stem 21.

図8に示すように、伝熱部材11,12とステム21との間の接触圧が大きくなるほど、伝熱部材11,12とステム21との間の熱抵抗は小さくなる。この現象は、次のように説明できる。すなわち、伝熱部材11,12の受熱面11a,12a、及びステム21の側面21aは、平らに加工されていても微視的には微細な凹凸が存在する。従って、伝熱部材11,12とステム21との間の熱の伝達は、この微細な凹凸同士の直接的な接触と、該凹凸によって生じた空間内の空気を介した熱伝達とによって行われ、前者が支配的となる。そして、伝熱部材11,12とステム21との間の接触圧が大きくなるほど、互いの凹凸が変形して接触面積が増す。   As shown in FIG. 8, as the contact pressure between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 increases, the thermal resistance between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 decreases. This phenomenon can be explained as follows. In other words, the heat receiving surfaces 11a and 12a of the heat transfer members 11 and 12 and the side surface 21a of the stem 21 have microscopic unevenness even when processed flat. Therefore, heat transfer between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 is performed by direct contact between the fine irregularities and heat transfer via the air in the space generated by the irregularities. , The former becomes dominant. And as the contact pressure between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 increases, the unevenness of each other deforms and the contact area increases.

一般に、熱抵抗は、接触圧の−0.95乗に比例して減少することが知られている。接触による熱抵抗をRs、空気の対流による熱抵抗をRg、これらを合わせた熱抵抗をRとすると、次の数式(1)が成り立つ。
(1/R)=(1/Rs)+(1/Rg) …(1)
また、熱抵抗Rs及びRgは、
Rs=B×P−0.95/A …(2)
Rg=C×P−0.097/D …(3)
と表すことができる。但し、式(2),(3)において、B,C,Dは接触物の硬さ及び表面粗さ、接触面同士の平均距離、対流する気体の熱伝導率等からなる定数であり、Aは対向面積であり、Pは接触圧である。上式(2),(3)から、接触による熱抵抗Rsは空気の対流による熱抵抗Rgよりも十分に大きいことがわかる。従って、(1)式より、総合的な熱抵抗Rは接触による熱抵抗Rsによって近似できる。
In general, it is known that the thermal resistance decreases in proportion to the power of -0.95 of the contact pressure. When the thermal resistance due to contact is Rs, the thermal resistance due to air convection is Rg, and the combined thermal resistance is R, the following equation (1) is established.
(1 / R) = (1 / Rs) + (1 / Rg) (1)
The thermal resistances Rs and Rg are
Rs = B × P− 0.95 / A (2)
Rg = C × P− 0.097 / D (3)
It can be expressed as. However, in the formulas (2) and (3), B, C, and D are constants composed of the hardness and surface roughness of the contact object, the average distance between the contact surfaces, the thermal conductivity of the convection gas, and the like. Is the facing area and P is the contact pressure. From the above equations (2) and (3), it can be seen that the thermal resistance Rs due to contact is sufficiently larger than the thermal resistance Rg due to air convection. Therefore, from equation (1), the total thermal resistance R can be approximated by the thermal resistance Rs due to contact.

このように、伝熱部材11,12とステム21との間の接触圧は周囲温度によって変化し、また、伝熱部材11,12とステム21との間の接触圧及び熱抵抗は、一定の相関を有する。すなわち、光通信モジュール10の周囲温度が低いほど、伝熱部材11,12とステム21との接触圧が低くなり、伝熱部材11,12とステム21との間の熱抵抗が大きくなるので、半導体レーザ素子からの熱がステム21を介して伝熱部材11,12へ伝わりにくくなり、半導体レーザ素子の温度は周囲温度よりも高く保たれる。逆に、光通信モジュール10の周囲温度が高いほど、伝熱部材11,12とステム21との接触圧が高くなり、伝熱部材11,12とステム21との間の熱抵抗が小さくなるので、半導体レーザ素子からの熱がステム21を介して伝熱部材11,12へ伝わり易くなり、半導体レーザ素子の温度は周囲温度に近づくこととなる。   As described above, the contact pressure between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 varies depending on the ambient temperature, and the contact pressure and the heat resistance between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 are constant. Has a correlation. That is, the lower the ambient temperature of the optical communication module 10, the lower the contact pressure between the heat transfer members 11, 12 and the stem 21, and the greater the thermal resistance between the heat transfer members 11, 12 and the stem 21, Heat from the semiconductor laser element is hardly transmitted to the heat transfer members 11 and 12 via the stem 21, and the temperature of the semiconductor laser element is kept higher than the ambient temperature. On the contrary, the higher the ambient temperature of the optical communication module 10, the higher the contact pressure between the heat transfer members 11, 12 and the stem 21, and the lower the thermal resistance between the heat transfer members 11, 12 and the stem 21. The heat from the semiconductor laser element is easily transferred to the heat transfer members 11 and 12 through the stem 21, and the temperature of the semiconductor laser element approaches the ambient temperature.

図9は、半導体レーザ素子の駆動電流を一定とした場合における、光通信モジュールの筐体温度(すなわち周囲温度に近い温度)とステム温度(すなわち半導体レーザ素子近傍の温度)との関係を示すグラフである。図9において、グラフG1は本実施形態の放熱構造1を備える場合のグラフであり、グラフG2は本実施形態の放熱構造1やペルチェ素子等の温度制御手段を備えない場合のグラフである。説明を容易にするため、温度上昇に伴う半導体レーザ素子の発光効率の低下に起因する発熱量の増大による影響については省略している。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the housing temperature of the optical communication module (that is, the temperature close to the ambient temperature) and the stem temperature (that is, the temperature near the semiconductor laser element) when the driving current of the semiconductor laser element is constant. It is. In FIG. 9, a graph G1 is a graph when the heat dissipation structure 1 of the present embodiment is provided, and a graph G2 is a graph when the temperature control means such as the heat dissipation structure 1 and the Peltier element of the present embodiment is not provided. In order to facilitate the explanation, the influence of an increase in the amount of heat generated due to a decrease in the light emission efficiency of the semiconductor laser element due to a temperature rise is omitted.

放熱構造やペルチェ素子を備えない場合(グラフG2)、半導体レーザ素子の発熱によって筐体温度とステム温度との間に約3℃の温度差が生じるが、筐体温度とステム温度とは全温度範囲(−40℃〜85℃)に亘ってほぼ近い値となる。従って、周囲温度が−40℃から85℃まで変化した場合の半導体レーザ素子の温度変化幅ΔTbは、約125℃となる。   When a heat dissipation structure or a Peltier element is not provided (Graph G2), a temperature difference of about 3 ° C. occurs between the case temperature and the stem temperature due to the heat generated by the semiconductor laser element. The value is almost close over the range (−40 ° C. to 85 ° C.). Therefore, the temperature change width ΔTb of the semiconductor laser element when the ambient temperature changes from −40 ° C. to 85 ° C. is about 125 ° C.

これに対し、本実施形態の放熱構造1を備える場合(グラフG1)、或る区間A(本例では0℃〜45℃の間)においては、グラフの傾き(筐体温度の単位変化幅に対するステム温度の変化率)が大幅に緩和されている。これは、放熱構造1の上述した作用によって、伝熱部材11,12とステム21との間の熱抵抗が周囲温度に応じて変化することによるものである。また、区間Aより高温の区間B(本例では45℃〜85℃の間)においては、グラフG1の傾きは、グラフG2の傾きとほぼ一致している。区間Bにおいては、伝熱部材11,12及びステム21の熱膨張によって、双方が熱伝導的に一体と見なせるまでに接触圧が高くなるためである。また、区間Aより低温の区間C(本例では−40℃〜0℃)においては、グラフG1がほぼ一定の温度差(約25℃)を保ってグラフG2に追随している。区間Cにおいては、伝熱部材11,12及びステム21の収縮によって双方の間に実質的に隙間があくためである。図9に示した例では、本実施形態の放熱構造1を備える場合、半導体レーザ素子の温度(ステム21の温度)の温度変化幅ΔTaは95℃であり、温度制御手段を備えない場合の温度変化幅ΔTbに対して24%もの改善が認められる。   On the other hand, when the heat dissipation structure 1 of the present embodiment is provided (graph G1), in a certain section A (between 0 ° C. and 45 ° C. in this example), the slope of the graph (with respect to the unit change width of the housing temperature). The rate of change in stem temperature is greatly relaxed. This is because the heat resistance between the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 changes according to the ambient temperature due to the above-described action of the heat dissipation structure 1. In addition, in the section B that is hotter than the section A (between 45 ° C. and 85 ° C. in this example), the slope of the graph G1 substantially matches the slope of the graph G2. This is because, in the section B, due to the thermal expansion of the heat transfer members 11, 12 and the stem 21, the contact pressure increases until both can be regarded as one in terms of heat conduction. Further, in the section C (−40 ° C. to 0 ° C. in this example) lower in temperature than the section A, the graph G1 follows the graph G2 while maintaining a substantially constant temperature difference (about 25 ° C.). This is because, in the section C, the heat transfer members 11 and 12 and the stem 21 are contracted to substantially leave a gap therebetween. In the example shown in FIG. 9, when the heat dissipation structure 1 of the present embodiment is provided, the temperature change width ΔTa of the temperature of the semiconductor laser element (the temperature of the stem 21) is 95 ° C., and the temperature when no temperature control means is provided. An improvement of 24% is recognized with respect to the change width ΔTb.

半導体レーザ素子の温度(ステム21の温度)と周囲温度(筐体5の温度)との差は、半導体レーザ素子からの発熱量と、半導体レーザ素子と筐体5との間の熱抵抗及び発熱量とによって決まる。本実施形態では、この熱抵抗の一部となるステム21と伝熱部材11,12との間の熱抵抗を、周囲温度の変化を利用して受動的に変化させている。これにより、低温環境下では放熱性を低下させて半導体レーザ素子の温度を上昇させ、高温環境下では放熱性を高めて半導体レーザ素子の温度上昇を抑えることができる。その結果、上述したように半導体レーザ素子の温度変化幅ΔTaが小さくなり、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長の変動幅を小さくできる。   The difference between the temperature of the semiconductor laser element (the temperature of the stem 21) and the ambient temperature (the temperature of the casing 5) is the amount of heat generated from the semiconductor laser element and the thermal resistance and heat generation between the semiconductor laser element and the casing 5. It depends on the quantity. In the present embodiment, the thermal resistance between the stem 21 and the heat transfer members 11 and 12 that are a part of the thermal resistance is passively changed using changes in the ambient temperature. As a result, the heat dissipation can be reduced to increase the temperature of the semiconductor laser element in a low temperature environment, and the heat dissipation can be increased to suppress the temperature increase of the semiconductor laser element in a high temperature environment. As a result, as described above, the temperature change width ΔTa of the semiconductor laser element is reduced, and the fluctuation range of the wavelength of the laser light output from the semiconductor laser element can be reduced.

以上説明したように、本実施形態の放熱構造1及び光通信モジュール10によれば、複数の伝熱部材11,12やフレーム部材13といった、電力供給や制御回路を必要としない構成によって光モジュール2からの放熱量を調整できる。従って、半導体レーザ素子の温度を好適に調整できるとともに、ペルチェ素子を利用する従来の構成と比較して、光モジュール2が搭載される光通信モジュール10の小型化、低消費電力化、及び低コスト化を効果的に実現できる。   As described above, according to the heat dissipation structure 1 and the optical communication module 10 of the present embodiment, the optical module 2 has a configuration that does not require power supply or a control circuit, such as the plurality of heat transfer members 11 and 12 and the frame member 13. The amount of heat released from can be adjusted. Accordingly, the temperature of the semiconductor laser element can be suitably adjusted, and the optical communication module 10 on which the optical module 2 is mounted can be reduced in size, power consumption, and cost as compared with a conventional configuration using a Peltier element. Can be realized effectively.

なお、WDM方式の中でも、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)方式では隣接するチャネル間の波長間隔が比較的短く(例えば0.8nm)、半導体レーザ素子の温度をほぼ一定(例えば30℃)にする必要がある。これに対し、CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)方式では、隣接するチャネル間の波長間隔がDWDM方式よりも長いので(例えば20nm)、半導体レーザ素子の温度変化幅を85℃程度に収めることにより、隣接するチャネル間の干渉を抑えて好適に通信できる。従って、図9に示したような特性を示す本実施形態の放熱構造1は、CWDM方式に最も適している。また、DWDM方式のように半導体レーザ素子の温度変化幅を更に小さく抑える必要がある場合には、本実施形態の放熱構造1とペルチェ素子による温度制御とを併用するとよい。一般的に、ペルチェ素子は二つの電極間の温度差が50℃を超えると制御が困難となる。このような場合にペルチェ素子と放熱構造1とを併用すれば、より幅広い周囲温度範囲に亘って半導体レーザ素子の温度を制御できる。また、要求される周囲温度範囲が広くない場合でも、ペルチェ素子と放熱構造1とを併用することによって、ペルチェ素子の負荷を軽減することができ、光通信モジュール10の小型化及び低消費電力化に寄与できる。   Among the WDM systems, in the DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) system, the wavelength interval between adjacent channels is relatively short (for example, 0.8 nm), and the temperature of the semiconductor laser element must be substantially constant (for example, 30 ° C.). There is. On the other hand, in the CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) method, the wavelength interval between adjacent channels is longer than that in the DWDM method (for example, 20 nm), so that the temperature change width of the semiconductor laser element is kept at about 85 ° C. Communication can be suitably performed while suppressing interference between channels. Therefore, the heat dissipation structure 1 of the present embodiment showing the characteristics as shown in FIG. 9 is most suitable for the CWDM system. Further, when it is necessary to further suppress the temperature change width of the semiconductor laser element as in the DWDM method, the heat dissipation structure 1 of the present embodiment and the temperature control by the Peltier element may be used in combination. Generally, the Peltier element becomes difficult to control when the temperature difference between the two electrodes exceeds 50 ° C. In such a case, if the Peltier element and the heat dissipation structure 1 are used in combination, the temperature of the semiconductor laser element can be controlled over a wider ambient temperature range. Even when the required ambient temperature range is not wide, by using the Peltier element and the heat dissipation structure 1 in combination, the load on the Peltier element can be reduced, and the optical communication module 10 can be reduced in size and power consumption. Can contribute.

また、本実施形態のように、ステム21が円板状であり、伝熱部材11,12の受熱面11a,12aが、ステム21の側面21aに沿った曲面状に形成されており、受熱面11a,12aの曲率半径が、ステム21の側面21aの曲率半径と同じか或いはステム21の側面21aの曲率半径よりも一割以下の差で小さいことが好ましい。これにより、円板状のステム21に対する伝熱部材11,12の密着性が増すので、接触圧と熱抵抗との上述した関係をより好適に実現できる。   Further, as in the present embodiment, the stem 21 has a disk shape, and the heat receiving surfaces 11a and 12a of the heat transfer members 11 and 12 are formed in a curved shape along the side surface 21a of the stem 21, and the heat receiving surface The curvature radii of 11a and 12a are preferably the same as the curvature radius of the side surface 21a of the stem 21 or smaller by a difference of 10% or less than the curvature radius of the side surface 21a of the stem 21. Thereby, since the adhesiveness of the heat-transfer members 11 and 12 with respect to the disk shaped stem 21 increases, the above-mentioned relationship between contact pressure and thermal resistance can be realized more suitably.

また、本実施形態のように、一対の伝熱部材11,12がステム21を挟んで対向配置されており、フレーム部材13が、一対の伝熱部材11,12を互いに連結してもよい。これにより、本発明に係る放熱構造の一形態を簡易な構成によって実現できる。   Further, as in the present embodiment, the pair of heat transfer members 11 and 12 may be disposed to face each other with the stem 21 interposed therebetween, and the frame member 13 may connect the pair of heat transfer members 11 and 12 to each other. Thereby, one form of the heat dissipation structure according to the present invention can be realized with a simple configuration.

また、本実施形態のように、光通信モジュール10は、伝熱部材11,12と筐体5との間に設けられた放熱シート9a,9bを備えることが好ましい。これにより、伝熱部材11,12と筐体5との間の熱抵抗を低減できるので、光モジュール2からの熱を光通信モジュール10の外部へより効率よく放出できる。また、筐体5の寸法誤差や光モジュール2の調心誤差などの寸法ばらつきを吸収しつつ、安定した放熱経路を得ることができる。   Further, as in the present embodiment, the optical communication module 10 preferably includes heat radiation sheets 9 a and 9 b provided between the heat transfer members 11 and 12 and the housing 5. Thereby, since the thermal resistance between the heat transfer members 11 and 12 and the housing 5 can be reduced, the heat from the optical module 2 can be released to the outside of the optical communication module 10 more efficiently. In addition, a stable heat dissipation path can be obtained while absorbing dimensional variations such as the dimensional error of the housing 5 and the alignment error of the optical module 2.

本発明による光モジュールの放熱構造及び光通信モジュールは、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、半導体レーザ素子を搭載した光モジュール2(レーザモジュール)に、本発明の放熱構造を適用している。本発明の放熱構造は、これ以外にも、例えば受光素子を搭載した光モジュール3にも適用できる。この場合、光モジュール内部の温度範囲を周囲温度範囲よりも小さくでき、受光素子の温度変化による出力特性の変動を抑制できる。或いは、従来と同等の出力特性を維持しつつ、より広い周囲温度範囲での動作を可能にできる。   The optical module heat dissipation structure and the optical communication module according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the heat dissipation structure of the present invention is applied to the optical module 2 (laser module) on which the semiconductor laser element is mounted. In addition to this, the heat dissipation structure of the present invention can be applied to, for example, the optical module 3 on which a light receiving element is mounted. In this case, the temperature range inside the optical module can be made smaller than the ambient temperature range, and fluctuations in output characteristics due to temperature changes of the light receiving element can be suppressed. Alternatively, it is possible to operate in a wider ambient temperature range while maintaining output characteristics equivalent to those of the prior art.

また、上記実施形態では、本発明の放熱構造の一例として、一対の伝熱部材及び一つのフレーム部材を備える構成について説明したが、本発明の放熱構造は、3つ以上の伝熱部材を備えてもよく、複数のフレーム部材を備えてもよい。これらの伝熱部材をステムの周囲に配置してフレーム部材で連結することにより、上記実施形態の作用効果を好適に得ることができる。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the structure provided with a pair of heat-transfer member and one frame member as an example of the heat-radiation structure of this invention, the heat-radiation structure of this invention is provided with three or more heat-transfer members. Alternatively, a plurality of frame members may be provided. By arranging these heat transfer members around the stem and connecting them with a frame member, the effects of the above-described embodiment can be suitably obtained.

また、上記実施形態では、一対の伝熱部材のそれぞれが筐体と熱的に接触しているが、本発明の放熱構造においては、複数の伝熱部材のうち少なくとも一つの伝熱部材が筐体と熱的に接触することによって、半導体光素子からの熱を光通信モジュールの外部へ好適に放出できる。   In the above embodiment, each of the pair of heat transfer members is in thermal contact with the housing. However, in the heat dissipation structure of the present invention, at least one of the plurality of heat transfer members is a housing. By making thermal contact with the body, heat from the semiconductor optical device can be suitably released to the outside of the optical communication module.

図1は、本実施形態に係る光モジュールの放熱構造の構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the heat dissipation structure of the optical module according to the present embodiment. 図2は、本実施形態に係る光モジュールの放熱構造の構成を示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of the heat dissipation structure of the optical module according to the present embodiment. 図3は、光通信モジュールの外観を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of the optical communication module. 図4は、光通信モジュールの詳細な構成を示す分解斜視図である。FIG. 4 is an exploded perspective view showing a detailed configuration of the optical communication module. 図5は、光通信モジュールにおける放熱構造付近の構成を拡大して示す拡大斜視図である。FIG. 5 is an enlarged perspective view showing an enlarged configuration near the heat dissipation structure in the optical communication module. 図6は、図5のI−I線に沿った光通信モジュールの拡大断面図である。FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the optical communication module taken along line II in FIG. 図7は、光通信モジュールの周囲温度と伝熱部材及びステムの接触圧との相関の典型例を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a typical example of the correlation between the ambient temperature of the optical communication module and the contact pressure of the heat transfer member and the stem. 図8は、伝熱部材とステムとの間の接触圧と熱抵抗との相関の典型例を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a typical example of the correlation between the contact pressure between the heat transfer member and the stem and the thermal resistance. 図9は、半導体レーザ素子の駆動電流を一定とした場合における、光通信モジュールの筐体温度(すなわち周囲温度に近い温度)とステム温度(すなわち半導体レーザ素子近傍の温度)との関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the housing temperature of the optical communication module (that is, the temperature close to the ambient temperature) and the stem temperature (that is, the temperature near the semiconductor laser element) when the driving current of the semiconductor laser element is constant. It is.

符号の説明Explanation of symbols

1…放熱構造、2…光(送信)モジュール、3…光(受信)モジュール、4…回路基板、5…筐体、6…タブプレート、7…ベイル、8…アクチュエータ、9a,9b…放熱シート、10…光通信モジュール、11,12…伝熱部材、11a,12a…受熱面、11b,12b…放熱面、13…フレーム部材、21…ステム、22…リードピン、23…円筒部、41…電子部品、51…枠材、52…放熱板、53…カバー、54…レセプタクル。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heat dissipation structure, 2 ... Optical (transmission) module, 3 ... Optical (reception) module, 4 ... Circuit board, 5 ... Housing, 6 ... Tab plate, 7 ... Bail, 8 ... Actuator, 9a, 9b ... Radiation sheet DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Optical communication module 11, 12 ... Heat-transfer member, 11a, 12a ... Heat-receiving surface, 11b, 12b ... Heat-radiation surface, 13 ... Frame member, 21 ... Stem, 22 ... Lead pin, 23 ... Cylindrical part, 41 ... Electron Components 51, frame material 52, heat sink 53, cover 54, receptacle

Claims (5)

半導体光素子、及び該半導体光素子を搭載するステムを備える光モジュールの放熱構造であって、
前記ステムの側面に沿った受熱面を有し、前記ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、
前記複数の伝熱部材同士を互いに連結するフレーム部材と
を備え、
前記フレーム部材の熱膨張率が、前記伝熱部材及び前記ステムそれぞれの熱膨張率よりも小さいことを特徴とする、光モジュールの放熱構造。
An optical module heat dissipation structure comprising a semiconductor optical device and a stem on which the semiconductor optical device is mounted,
A plurality of heat transfer members having a heat receiving surface along a side surface of the stem and disposed around the stem;
A frame member connecting the plurality of heat transfer members to each other;
The heat dissipation structure of an optical module, wherein a thermal expansion coefficient of the frame member is smaller than a thermal expansion coefficient of each of the heat transfer member and the stem.
前記ステムが円板状であり、
前記複数の伝熱部材の前記受熱面が、前記ステムの側面に沿った曲面状に形成されており、前記受熱面の曲率半径が、前記ステムの側面の曲率半径と同じか或いは前記ステムの側面の曲率半径よりも一割以下の差で小さいことを特徴とする、請求項1に記載の光モジュールの放熱構造。
The stem is disc-shaped;
The heat receiving surfaces of the plurality of heat transfer members are formed in a curved shape along the side surface of the stem, and the curvature radius of the heat receiving surface is the same as the curvature radius of the side surface of the stem or the side surface of the stem 2. The heat dissipation structure for an optical module according to claim 1, wherein the heat radiation structure is smaller by a difference of 10% or less than the radius of curvature.
一対の前記伝熱部材が前記ステムを挟んで対向配置されており、
前記フレーム部材が、前記一対の伝熱部材を互いに連結していることを特徴とする、請求項1または2に記載の光モジュールの放熱構造。
A pair of the heat transfer members are arranged opposite to each other with the stem interposed therebetween,
The heat dissipation structure for an optical module according to claim 1, wherein the frame member connects the pair of heat transfer members to each other.
半導体光素子、及び該半導体素子を搭載するステムを備える光モジュールと、
前記ステムの側面に沿った受熱面を有し、前記ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、
前記複数の伝熱部材を互いに連結するフレーム部材と、
前記光モジュール、前記複数の伝熱部材、及び前記フレーム部材を収容する筐体と
を備え、
前記フレーム部材の熱膨張率が、前記伝熱部材及び前記ステムそれぞれの熱膨張率よりも小さく、
少なくとも一つの前記伝熱部材が、前記筐体に熱的に接触していることを特徴とする、光通信モジュール。
An optical module comprising a semiconductor optical element and a stem on which the semiconductor element is mounted;
A plurality of heat transfer members having a heat receiving surface along a side surface of the stem and disposed around the stem;
A frame member connecting the plurality of heat transfer members to each other;
A housing that houses the optical module, the plurality of heat transfer members, and the frame member;
The thermal expansion coefficient of the frame member is smaller than the thermal expansion coefficient of each of the heat transfer member and the stem,
The optical communication module, wherein at least one of the heat transfer members is in thermal contact with the housing.
前記伝熱部材と前記筐体との間に設けられた放熱シートを更に備えることを特徴とする、請求項4に記載の光通信モジュール。
The optical communication module according to claim 4, further comprising a heat dissipation sheet provided between the heat transfer member and the housing.
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