JP2008090091A - プラガブル光トランシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】光デバイスと筐体との間に介在していた熱抵抗を生ずることなく、効率的に放熱する構造を有するプラガブル光トランシーバを提供する。
【解決手段】プラガブル光トランシーバ１は、筐体を有し、その筐体内に光デバイス１１を搭載し、ホスト装置に備わるケージ内に装着して用いられる。光デバイス１１は放熱面１１ｂを有し、筐体は開口１４ａを有する。光デバイス１１の放熱面１１ｂが、筐体の開口１４ａから露出し、プラガブル光トランシーバ１をホスト装置に装着した際にケージに設けられた放熱器に接触する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラガブル光トランシーバ、特に、搭載する光デバイスの放熱性能を改善する構造を有したプラガブル光トランシーバに関する。

プラガブル光トランシーバは、光信号を送受信するコンピュータ、ルータなどの電気機器装置（ホスト装置）本体に着脱自在（プラガブル）に装着されて用いられるものであって、その光レセプタクルに光コネクタを挿入し、光コネクタ中のファイバとプラガブル光トランシーバ内の半導体光デバイスとを光結合させることで光送信及び光受信の双方の機能を発揮することができる。光結合は光ファイバの先端に付属するフェルールを半導体光デバイス側に有するスリーブ内に挿入されることで実現される。

光トランシーバに用いられる送信用半導体光デバイスは、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）、モニタフォトダイオード、レンズ、ＬＤ冷却用の熱電変換素子（ペルチェ素子）等を搭載する箱型の本体部と、光レセプタクルの一部となるスリーブ部（当該部位にレンズを含む場合もある）とから成る。特許文献１には、上述のように構成される送信用光デバイスが搭載された光トランシーバが開示されている。
特開２００５−２２７７８３号公報

送信用光デバイスを光トランシーバに搭載する際、光デバイスの発熱を効率よく光トランシーバに、あるいは光トランシーバの外部に、放熱できないと、光デバイス内に搭載されている半導体レーザのチップ温度が上昇して、半導体レーザの特性劣化（半導体レーザはその温度特性が大きいデバイスである）の要因となる。光デバイス内に搭載するペルチェ素子等を用いてレーザを冷却する機能を有する光デバイスでは、放熱、特にこのペルチェ素子からの放熱が十分でない場合には、熱暴走する可能性もある。

また、上述のような構成の光デバイスを光トランシーバ内に搭載する場合、光デバイスの本体部を効率的に放熱するためには、この本体部を光トランシーバの筐体に密着／固定する等の配慮が必要である。このような配慮をしたとしても、光デバイスの本体部と、光トランシーバの筺体との間に接触熱抵抗が生じ、放熱効率が低下することが多い。熱抵抗を下げるには、サーマルグリスを接触面に塗布する等の措置を講ずるが、サーマルグリスでは空乏が生じて熱抵抗が大きくなる可能性が残る。また、筺体内に有機剤を残すのも光トランシーバ全体の長期信頼性の観点から好ましいことではない。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、光デバイスと筐体との間に介在していた熱抵抗を生ずることなく、効率的に放熱する構造を有するプラガブル光トランシーバを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプラガブル光トランシーバは、筐体を有し、該筐体内に光デバイスを搭載し、ホスト装置に備わるケージ内に装着して用いられるものであって、光デバイスは放熱面を有し、筐体は開口を有し、放熱面が筐体の開口から露出し、プラガブル光トランシーバをホスト装置に装着した際にケージに設けられた放熱器に接触することを特徴とする。

また、筐体を上記開口を有する上筐体と下筐体より形成し、光デバイスの放熱面と反対の面を上筐体に向けて光デバイスを押圧する弾性機構を下筐体に形成するようにしてもよい。なお、光デバイスの側面部に開口の縁部に当接するフランジが形成されているのが好ましい。

本発明の光トランシーバによれば、光デバイスの本体部の放熱面そのものを光トランシーバ外に露出させることにより、この放熱面と光トランシーバの筐体との間に介在していた熱抵抗は生ずることがなく、放熱器に直接接触させて効率的に放熱することができる。

図１〜図６を用いて、本発明に係るプラガブル光トランシーバ（以下、光トランシーバという）の構造及びその構成部材について説明する。
図１は、本発明に係る光トランシーバの外観図であり、図２は、その光トランシーバの分解図である。光トランシーバ１は、ホスト装置本体（または、ホスト装置に備わるケージ）に着脱自在に装着されて用いられる、いわゆるＸＦＰ型のプラガブル光トランシーバであって、電気信号を光信号に変換する送信用光デバイス（ＴＯＳＡ：Transmitting Optical Sub-Assembly）１１、光信号を電気信号に変換する受信用光デバイス（ＲＯＳＡ：Receiving Optical Sub-Assembly）１２、ＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２と電気信号の授受を行う電子回路（ＩＣ）を搭載する回路基板１３を備えている。

光トランシーバ１は、さらに、ＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２と回路基板１３を上下から挟みこむ上筐体１４及び下筐体１５、並びに光コネクタ（不図示）を受納する光レセプタクル１６ａを有するレセプタクル部１６を備え、光レセプタクル１６ａに光コネクタを挿入し、光コネクタ中のファイバと光トランシーバ１内のＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２とを光結合させることで光送信及び光受信の双方の機能を発揮する。

回路基板１３のレセプタクル部１６側と反対側には、ホスト装置の基板（ホスト基板）に結線される電気コネクタ（不図示）と接続するコネクタプラグ１３ａが形成されている。以後、光レセプタクルの備わる方向を光トランシーバの前方側とし、回路基板にコネクタプラグが形成されている側を後方とする。
光トランシーバ１は、後方側が挿入され、光トランシーバ１の後端に形成されているコネクタプラグ１３ａがホスト装置の電気コネクタと係合して用いられる。

図２に示すように、ＴＯＳＡ１１は、ＬＤ、ペルチェ素子等を内部に有する箱型の本体部１１ａを備え、本体部にはそのＬＤ等の熱を放熱する平坦な放熱面１１ｂを有する。ＴＯＳＡ１１の本体部１１ａと回路基板１３との間はフレキシブルプリント回路（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）基板１７で接続される。

また、ＲＯＳＡ１２は、内部にフォトダイード等を有する本体部１２ａを備え、回路基板１３とＦＰＣ基板１８で接続されている。ＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２の本体部１１ａ，１２ａの前面には、光レセプタクル１６ａに挿入される光コネクタからの光を本体部１１ａ，１２ａに導くスリーブ１１ｃ，１２ｃが形成されている。

上筺体１４の前部側面は、レセプタクル部１６の側面を覆う構造である。上筺体１４において、ＴＯＳＡ１１の放熱面１１ｂが位置する箇所には開口１４ａが形成されている。図１に示すように、ＴＯＳＡ１１の放熱面１１ｂは開口１４ａから露出し、光トランシーバ１の外部の放熱器（後述）と直接接触する。また、下筺体１５には、ＴＯＳＡ１１を上筺体１４の方向に付勢する弾性機構１５ａが設けられ、ＴＯＳＡ１１の放熱面１１ｂが開口１４ａから露出するようになっている。

このような構成で放熱するとき、ＴＯＳＡ／ＲＯＳＡを光トランシーバ（またはレセプタクル）にリジットに保持すると、ＴＯＳＡ／ＲＯＳＡ等に機械的歪みが生じることがある。そこで、光トランシーバ１においては、ＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２が取付けられるレセプタクル部１６を、弾性片１５ｂ等で弾性的に保持することにより、機械的歪みを回避し、歪みによる光軸ずれ等に起因する光結合特性の劣化を回避する。レセプタクル部１６を弾性的に保持する構造については後に詳述する。

上記のような構成の光トランシーバ１では、まずレセプタクル部１６に対してＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２の位置が（光軸調芯を主に考えて）決められる。次に、レセプタクル部１６とＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２との組立体を、ＴＯＳＡ１１の放熱面１１ｂが上筐体１４の開口１４ａに露出し、且つＴＯＳＡ１１の側面のフランジ（後述）が上筺体１４に密着するように、上下筺体１４，１５に対してその位置が決められる。以上のような二段階のアセンブリ構造を光トランシーバ１は有している。

図３は、本発明に係る光トランシーバの上筐体を光トランシーバ内部側から見た図である。ＴＯＳＡの放熱面が突き出すように設けられた開口１４ａの縁部の前後には、ＴＯＳＡ側の段差（後述のフランジ）が当接するフランジ当て部１４ｂ（単に平坦面）が形成されている。従来は、当該箇所は全て平坦に加工されており、例えば、ＴＯＳＡの放熱面を上筐体に密着することでＴＯＳＡ−上筺体−放熱器の放熱経路を確保していた。本発明においては、ＴＯＳＡの放熱面が上筺体１４の開口１４ａから露出しており、当該放熱面を、トランシーバ外部の放熱器に直接接触させることができる。ＴＯＳＡ−上筺体−放熱器で形成されていた放熱経路から、上筺体がそっくり抜けることになり、放熱効率が格段に向上する。

図４は、本発明に係る光トランシーバのＴＯＳＡの構造例を示す斜視図であり、図１及び図２とは天地が逆（放熱面が下）に描かれている。本体部１１ａの側面からは複数のリードピン１１ｄが伸びだしている。これらリードピン１１ｄは、主に電源、ＧＮＤ等のＤＣ〜低周波信号のためのものである。このＴＯＳＡ１１が光トランシーバに実装された際には、このリードピン１１ｄが伸びだす側面は、光トランシーバの外側に位置する。

図４では省略されているが、本体部１１ａの後側面からもリードピンが伸びだし、そのリードピンはＦＰＣ基板１７を介して回路基板１３と接続される（図２参照）。これら後側面から伸びだすリードピンは、信号ピンおよびＧＮＤピンであり、主に高周波信号（数ＧＨｚ）を伝播するためのものである。後側面からまとめて引き出すことで、信号線のインピーダンス整合を確保しやすく、信号波形の劣化を抑えることができる。なお、この形状で両側にリードピンが突き出ている光デバイスは、真上から見ると蝶々が羽根を広げているように見えるため、「バタフライパッケージ型」とも俗称されている。

ＴＯＳＡ１１内のペルチェ素子は、放熱面１１ｂ上に搭載されている。すなわち、ペルチェ素子の一方のプレートを放熱面１１ｂの内面に密着させ、他方のプレート上にＬＤを搭載する。ＬＤを冷却するために他方のプレートを降温した場合には、内面に接触している一方のプレートは昇温される。光トランシーバを、図１及び図２の状態（天地正常）の状態で用いる時には、ＴＯＳＡ１１内ではペルチェ素子、ＬＤ等は天井（放熱面１１ｂ）からぶら下がっている状態にある。

ＴＯＳＡ１１の本体部１１ａの前後側面下部にはフランジ１１ｅが形成されている。このフランジ１１ｅ（特に図４において隠れている面）を、上述の上筺体１４（図３）のフランジ当て部１４ｂに当接させることで、ＴＯＳＡ１１の上筺体１４の開口１４ａからの突出が規制される。フランジ１１ｅの幅（突き出し量）は数ｍｍ程度で構わない。上筐体１４の開口１４ａの前後幅よりも長ければその目的を達することが可能である。また、本体部１１の前面には、光レセプタクルに挿入される光コネクタからの光を本体部１１ｂに導くスリーブ１１ｃが形成されている。

ＴＯＳＡ１１の放熱面１１ｂは、ＣｕＷ等の良熱伝導材で構成することが可能となる。従来の構造においては、ＴＯＳＡの放熱面が当接していた上筺体を、その全面に渡ってＣｕＷで構成することは、ＣｕＷ自身が有する脆性（もろく、加工が難しい）や、価格面から困難であった。また、放熱面が接触する箇所のみをＣｕＷで構成することも可能であるが、上筺体をこのように加工することは、コストメリットが低下する。しかし、本発明の光トランシーバにおいては、ＴＯＳＡの放熱面に精密加工が要求されず、また、その面積も狭いために高価なＣｕＷを使用することができる。

上述したように、図４に示すようなＴＯＳＡ等が取付けられるレセプタクル部は、機械的歪みを回避し、歪みによる光結合特性の劣化を回避するために、筐体に弾性的に保持される。
レセプタクル部１６を弾性的に保持する構造について図２に戻って説明すると、レセプタクル部１６は上下筐体１４，１５によって挟まれ保持されるが、レセプタクル部１６と上筐体１４の間には導電性のエラストマ（不図示）を挟み、レセプタクル部１６と下筐体１５の間には下筐体１５から延びる弾性片（フィンガ）１５ｂを設けてレセプタクル部１６を支え、弾性的に上下方向に保持される。

エラストマは、レセプタクル部１６に予め塗布しておくと組立性が向上する。また、板金製の下筐体１５側のフィンガ１５ｂを切り起しにより形成することで低コスト化を図ることができる。なお、エンプラ成型されるレセプタクル部１６に弾性変形する形状を一体成型することでも同様の機能を果たすことができる。

図５は、本発明に係る光トランシーバの構造を説明するための図である。図５（Ａ）は、光トランシーバの分解図であり、このときレセプタクル部１６、ＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２、回路基板１３は互いに組立てられている。また、開口１４ａ及びフランジ当て部１４ｂが形成される上筺体１４（図５（Ａ）では下方に描かれている）の一部は、上筺体１４の断面構造を示すために一部切り取られて図示されている。

ＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２のスリーブはレセプタクル部１６の後壁に形成されている開口に挿入されることで、レセプタクル部１６とスリーブ（すなわちＴＯＳＡ１１／ＲＯＳＡ１２本体）の位置関係が決められる。この状態で、ＴＯＳＡ１１，ＲＯＳＡ１２と回路基板１３とがＦＰＣ基板１７，１８により接続される。リジットなリードピン等でこの接続を行った場合、ＴＯＳＡを上筐体方向に付勢することにより、ＴＯＳＡ／ＲＯＳＡ及びレセプタクルに機械的応力がかかってしまい、ＴＯＳＡ／ＲＯＳＡ、レセプタクルの位置関係に影響を及ぼす場合がある。しかし、本発明ではＦＰＣ基板を介して上記接続が行われるので、この位置関係には影響を及ぼさない。

なお、上筐体１４の内面で、回路基板１３に対応する箇所１４ｃが厚く形成されているのは、回路基板１３上のＩＣ（発熱体）に放熱シートを介して上筐体１４の回路基板対応箇所１４ｃが接触し、ＩＣの放熱経路を確保するためである。

図５（Ｂ）は、光トランシーバの内部の様子を示す図である。図５（Ａ）と同様に一部切り取って示す。また、図１及び図２とは天地反対に描かれている（見えている面は下筺体１５の外面である）。ＴＯＳＡ１１の放熱面１１ｂとは反対側の下面には下筺体に形成された弾性機構（付勢片）１５ａが突き当たっている。ここでは、この付勢片１５ａが当接するＴＯＳＡ１１の下面を当接面１１ｆとする。

付勢片１５ａは下筺体１５にＵ字状の細穴を開け、当該細穴に挟まれた箇所を光トランシーバ１内部に押し出すことで、ＴＯＳＡ１１の当接面１１ｆに対する付勢力を与えるものである。図５（Ｂ）では、この付勢構造が前後二箇所に形成されており、その間には、光トランシーバ１の筺体の左右幅一杯に延びるリブ構造１５ｃ（下筺体材、金属板、の叩き出しによる断面が凸の構造）を形成する。このリブ構造１５ｃには、ＴＯＳＡ１１から当接面１１ｆを介して付勢片１５ａに及ぼされる反力により、下筺体１５の金属板が撓むのを防止する機能を持たせてある。

図６は、本発明に係る光トランシーバを使用する際に、ペアとなるケージの一例を示す分解図である。ケージ２は、光トランシーバが装着されるケージ本体２１と、光トランシーバの熱を放熱する放熱器２２と、放熱器２２を固定する固定バンド２３とで構成される。ケージ本体２１の下面には、ホスト基板上にケージ２を搭載固定するための複数のスタッドピン２１ａが突き出ており、当該スタッドピン２１ａをホスト基板のヴィアホールに半田接続することでケージ２をホスト基板上に搭載する。

本発明の光トランシーバは、ケージ本体２１の前面開口２１ｂから挿入され、光トランシーバ後端に供えられているコネクタプラグを、ケージ２奥端のホスト基板上に接続、固定されている電気コネクタ（不図示）に挿入することで、光トランシーバはホスト装置との間で電源、信号の授受が可能となる。この時、光トランシーバの挿入、および電気コネクタとコネクタプラグとの係合は、ホスト装置の電源を落とさずに行うことが可能であり、このようなトランシーバを「ホットプラガブルトランシーバ」と総称している。

ケージ本体２１の上面には、図示するように開口２１ｃが形成されており、また、放熱のための複数の放熱柱２２ａが突き出ている放熱器２２が装着される。放熱器２２の底面（ケージ２内面側）は、ケージ本体２１上面の開口２１ｃを通してケージ本体２１内に突き出る形状であり光トランシーバの上面（上筺体外面）と接触する。その為に、光トランシーバの上筺体の外面は平坦に加工されており、また、前記したように、ＴＯＳＡのみならず、回路基板上のＩＣ等の発熱が、効率よく上筺体に伝導されるような内部構造となっている。
固定バンド２３は、放熱器２２をケージ本体２１に固定するためのものであるが、光トランシーバのケージ２への挿抜を容易にするために、放熱器２１が若干上下に可動できるように固定する。

図７は、本発明に係る光トランシーバの他の例を説明するための図である。上記図１〜図６の例では光トランシーバの上筐体の開口に向けてＯＳＡを付勢する弾性機構（付勢片）を下筐体に設けているが、本発明ではこれに限定されない。図７に示すように、図５で説明した付勢片に代えて、弾性シート１５ａ´（シリコーン等の樹脂製のもの等）を弾性機構として光トランシーバ１´に設け、弾性シート１５ａ´を介して下筺体１５´とＴＯＳＡ１１の当接面を接触させ、上筐体１４の開口からのＴＯＳＡ１１の突出を規制するようにしてもよい。

以上のように光トランシーバを構成することで、光デバイスの本体部の放熱面そのものを光トランシーバの筐体から露出させ、この放熱面と筺体との間に介在していた熱抵抗を生ずることなく、効率的に放熱することができる。その一方、筺体とＴＯＳＡの本体部との間には弾性構造（付勢片）を設け、また光デバイスが筺体から抜け落ちないように、筺体および光デバイスにはフランジとフランジ当て部により相互に嵌め合う段差構造（ストッパ構造）を設けている。

また、光トランシーバ外部の放熱器（ヒートシンク、サーマルフィン等）に光デバイスの放熱面を確実に接触させるために、公差の最悪ケースでも放熱面が上筺体より若干突出するように寸法を設定している。このように、光デバイスは筺体に対して螺子止めしない構造であり、従来の構造で必須であった、光出力が変動しないように螺子止めの際のトルク管理、等の配慮が不要となる。

ＴＯＳＡ／ＲＯＳＡと回路基板をＦＰＣ接続とすることで、ケージ挿抜時のＯＳＡ位置変動に対応できる。また、ＴＯＳＡ／ＲＯＳＡが取付けられるレセプタクルを、上筐体と下筐体により弾性保持し、ＯＳＡのストローク（部品公差の積み上げによって生じる）に対応したストロークを持たせる。よって、光トランシーバを組立てた際に、構成部材に機械的歪みを生じないため、光結合特性を損なうことなく、良好な放熱特性を得ることができる。
また、フランジを利用してＴＯＳＡを上筐体に螺子止めすることでも実現できる、この場合、下筐体とＯＳＡ間の弾性体は不要であるが、上筐体とＯＳＡ間に弾性体を挟むことになる。

本発明に係る光トランシーバの外観図である。 図１の光トランシーバの分解図である。 図１の光トランシーバの上筐体を光トランシーバ内部側から見た図である。 本発明に係る光トランシーバのＴＯＳＡの一例を示す図である。 本発明に係る光トランシーバの構造を説明する図である。 本発明に係る光トランシーバを使用する際にペアとなるケージの一例を示す分解図である。 本発明に係る光トランシーバの他の例を説明する図である。

符号の説明

１，１´…プラガブル光トランシーバ、２…ケージ、１１…送信用光デバイス、１２…受信用光デバイス、１１ａ，１２ａ…本体部、１１ｂ…放熱面、１１ｃ，１２ｃ…スリーブ、１１ｄ…リードピン、１１ｅ…フランジ、１３…回路基板、１３ａ…コネクタプラグ、１４…上筐体、１４ａ…開口、１４ｂ…フランジ当て部、１５，１５´…下筐体、１５ａ…弾性機構、１５ｂ…弾性片、１５ｃ…リブ、１５ａ´…弾性シート、１６…レセプタクル部、１６ａ…光レセプタクル、１７，１８…フレキシブル回路基板、２１…ケージ本体、２１ａ…スタッドピン、２１ｂ…前面開口、２１ｃ…開口、２２…放熱器、２２ａ…放熱柱、２３…固定バンド。

Claims (3)

1. 筐体を有し、該筐体内に光デバイスを搭載し、ホスト装置に備わるケージ内に装着して用いられるプラガブル光トランシーバであって、
   前記光デバイスは放熱面を有し、前記筐体は開口を有し、前記放熱面が前記筐体の前記開口から露出し、前記プラガブル光トランシーバを前記ホスト装置に装着した際に前記ケージに設けられた放熱器に接触することを特徴とするプラガブル光トランシーバ。
2. 前記筐体は前記開口を有する上筐体と下筐体より成り、前記光デバイスの放熱面と反対の面を前記上筐体に向けて前記光デバイスを押圧する弾性機構が前記下筐体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラガブル光トランシーバ。
3. 前記光デバイスの側面部に前記開口の縁部に当接するフランジが形成されていることを特徴とする請求項２に記載のプラガブル光トランシーバ。

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