JP2008306033A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＡＮパッケージを用いて構成する際に、放熱特性を向上させるとともに、高周波数帯での周波数特性の安定化を図る。
【解決手段】レンズ、フォトダイオード、増幅器及び復調回路等を内蔵したＣＡＮパッケージ１の基端部のステム１１に、コの字状に曲げて形成した金属板等からなる放熱部材２の基端部が密着し、ハンダ付けまたは溶接等により一体化した状態に取り付けられる。放熱部材２は、延出したコの字状の両端部内側に主基板３が挟み込まれ、主基板３の両面に形成されたグランドパターンとハンダ付け等により電気的に接続されて固定される。ステム１１から延出したリード１７は、主基板３に合わせて屈曲され、主基板３の端部に形成された回路パターンとハンダ付け等によって電気的に接続される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＣＡＮパッケージ構造を持つ光モジュールに関する。

例えば、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）システムにおけるＶ−ＯＮＵ（Video-Optical Network Unit）などでは、光ファイバの終端部において、伝送された光信号を電気信号に変換するための光モジュールとして、ＣＡＮパッケージ構造の光モジュールなどが使用される。

図６は、従来のＣＡＮパッケージ構造の光モジュールの内部構成を示す断面図である。この従来例の光モジュールは、リード６１と、発光素子パッケージ６２と、筒状に形成された一方の開口端にケーブルコネクタが形成され他方の開口端にステム６３を取り囲んで取り付けるためのアダプタ６４を有する金属製のホルダ６５と、内部で発生した熱を外部に放散するためのヒートパイプ６６とを有して構成されている（例えば、特許文献１参照）。

消費電力の大きな光モジュールをＣＡＮパッケージ構造とする場合、上記ヒートパイプなどによる放熱構造を設けるなど、パッケージ内部に収納する回路等の放熱特性を考慮する必要がある。また、従来では、過度の温度上昇を防止するために、光学素子及びフォトダイオード（ＰＤ）とともに、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）などの消費電力が少ない回路のみをＣＡＮパッケージに内蔵するようにしていた。

光モジュールの放熱構造の従来例としては、ＣＡＮパッケージのステムに高い放熱性を有するＷ−Ｃｕ合金の焼結体、または、Ｍｏ−Ｃｕ合金の焼結体からなるヒートシンクを一体化したものがある（例えば、特許文献２参照）。また、ＣＡＮパッケージのステムと主基板との間に、表面に絶縁処理を施した高熱伝導性の材料を用いた放熱治具を挿入する例が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

ＣＡＮパッケージ構造の光モジュールは、従来は伝送速度２．５Ｇｂｐｓ程度までの光通信システムに用いられ、２．５ＧＨｚの周波数帯までの高周波信号に対応可能な構成が採られていた。最近では、伝送速度１０Ｇｂｐｓ以上の光通信システムに使用できるように、１０ＧＨｚ以上の高周波数帯の信号に対応可能なものが出てきている。このため、光モジュールにおいて高周波数帯まで十分な周波数特性を確保する必要がある。今後は、このような高周波数帯に対応した高伝送速度型のものが主流になると考えられる。
特開２００２−１１１１１６号公報 特開２００４−１５６０５６号公報 特開２００６−２６１４２９号公報

上記従来例のようなＣＡＮパッケージ構造の光モジュールを主基板に実装する場合、ステムを挿通して延びるリードをハンダ付け等によって主基板に接続する構造が採られる。この場合、リードの取り付け角度などによっては信号線のインピーダンスに不整合が生じ、高周波特性が劣化することがある。そこで、特に高伝送速度型で１０ＧＨｚの高周波数帯に対応可能にする場合、安定した高周波特性を得るために、フレキシブル基板を用いて光モジュールを主基板に接続する構成が採られることが多い。しかしながら、フレキシブル基板を用いる構成では、光モジュールと主基板とを熱伝導性の高い状態で接続することができないので、十分な放熱効果が得られる放熱構造の実現が難しく、放熱を必要とするＣＡＮパッケージ構造に適用することが困難である。

また、高周波特性の安定化とともに、小型化及び量産性の向上を図るために、例えば復調回路を含めてＣＡＮパッケージ内部に搭載しようとした場合、消費電力が大きい復調回路を内蔵することにより、ＣＡＮパッケージが高温になって十分な放熱特性が得られない。このため、光モジュール特性の安定化、信頼性向上の面から、より大きな放熱効果を得られるＣＡＮパッケージ構造が望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ＣＡＮパッケージを用いて構成する際に、放熱特性を向上させるとともに、高周波数帯での周波数特性の安定化を図ることが可能な光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の光モジュールは、光電変換素子及び電子部品を内蔵したＣＡＮパッケージと、前記ＣＡＮパッケージの端部外面におけるグランド部に密着または一体化した状態に設けられる放熱部材と、前記放熱部材を介して前記ＣＡＮパッケージと結合され、少なくとも一方の面にグランドパターンを有する主基板とを備え、前記放熱部材は、導電体材料からなり、前記主基板のグランドパターンに密着した状態で組み付けられて電気的に接続され、前記ＣＡＮパッケージより延出する端子が前記放熱部材と前記主基板との組み付けにより位置固定された状態で前記主基板の配線に接続されるものである。

この構成により、放熱部材によってＣＡＮパッケージから主基板に至る熱拡散面積及び容量が大きく確保されるので、十分な放熱特性を得ることができ、放熱特性が向上する。また、この放熱部材の接続によってＣＡＮパッケージのグランド電位が安定化し、さらに、ＣＡＮパッケージの信号端子が短距離で主基板に接続される様に位置固定する役目を果たすので、高周波特性の劣化を抑制でき、高周波数帯での周波数特性の安定化を図れる。

また、本発明は、上記の光モジュールであって、前記放熱部材は、コの字状またはＵ字状に形成された板状部材を有してなり、屈曲部分の基端部が前記ＣＡＮパッケージのグランド部に密着または一体化した状態にあり、他方のコの字状またはＵ字状の延出部内側の隙間に前記主基板が挟み込まれて前記主基板と結合し、前記延出部の内面が前記主基板のグランドパターンに密着して電気的に接続されるものを含む。

この構成により、コの字状またはＵ字状の放熱部材によって、ＣＡＮパッケージで発生した熱を効果的に主基板まで伝導し、放散することが可能となる。また、放熱部材の主基板への組み付け時の位置決めによって、ＣＡＮパッケージより延出する端子を短距離で安定的に主基板へ接続できるので、インピーダンスの不整合による高周波特性の劣化を低減することが可能となる。また、ＣＡＮパッケージのグランド電位安定化により高周波数帯での周波数特性の劣化を抑制し安定化を図れる。

また、本発明は、上記の光モジュールであって、前記放熱部材は、少なくとも一方の面にグランドパターンを有するとともに前記ＣＡＮパッケージより延出する端子を挿通するスルーホールを有する接続基板と、導電材料からなり前記接続基板を前記主基板に固定する固定部材とを有して構成され、前記接続基板のグランドパターンを有する面が前記ＣＡＮパッケージのグランド部に密着して固定され、前記接続基板の一側端部と前記主基板とが密着して前記固定部材により連結固定され、前記接続基板のグランドパターンと前記主基板のグランドパターンとが直接または前記固定部材を介して電気的に接続されるものを含む。

この構成により、接続基板及び固定部材を有してなる放熱部材によって、ＣＡＮパッケージで発生した熱を効果的に主基板まで伝導し、放散することが可能となる。ＣＡＮパッケージより延出する端子が接続基板を介して位置固定された状態で短距離で安定的に主基板へ接続できるので、インピーダンスの不整合による高周波特性の劣化を低減することが可能となる。また、ＣＡＮパッケージのグランド電位安定化により高周波数帯での周波数特性の劣化を抑制し安定化を図れる。

また、本発明は、上記の光モジュールであって、前記ＣＡＮパッケージは、前記電子部品として復調回路を含むＩＣを内蔵するものを含む。
この構成により、消費電力の大きい復調回路等を内蔵した場合であっても、十分な放熱特性を得ることができ、ＣＡＮパッケージが所定値以上に高温になることを防止できる。また、復調回路を光モジュールに内蔵することで、配線長を短縮して高周波特性のさらなる安定化を図ることができ、例えば１０ＧＨｚ等の高い周波数帯における周波数特性をさらに向上できる。また、温度上昇による特性の劣化も抑制可能である。

本発明によれば、ＣＡＮパッケージを用いて構成する際に、放熱特性を向上させるとともに、高周波数帯での周波数特性の安定化を図ることが可能な光モジュールを提供できる。

初めに、本発明の実施形態に係る光モジュールのＣＡＮパッケージの構成を説明する。図１は本発明の実施形態に係る光モジュールのＣＡＮパッケージの構成を示す図であり、図１（ａ）はＣＡＮパッケージの概略構成を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ方向矢視による平面図である。図２は本実施形態のＣＡＮパッケージにおけるステムの概略構成を示す図であり、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ方向矢視による平面図である。

本実施形態の光モジュールのＣＡＮパッケージ１は、基端部に設けられる金属材料等からなる円盤状のステム１１と、ステム１１の一方の面を取り囲んで光モジュール内部を覆う金属材料等からなる筒状のアダプタ（レンズキャップ）１２と、アダプタ（レンズキャップ）１２に接着等により取り付けられる金属材料等からなる筒状のホルダ１３とを有する構成である。

ステム１１の一方の面には、光信号の光電変換を行う光電変換素子としてのフォトダイオード１５、信号電流を増幅し電圧信号への変換を行うトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）と復調処理を行う復調回路とを含むＩＣなどによる電子部品１６などが絶縁部材を介して搭載されている。また、ステム１１には、リード１７が挿通され、このリード１７が他方の面から延出されている。リード１７と電子部品１６とは、ワイヤボンディング１８によって電気的に接続されている。また、ステム１１本体とリード１７との間は、絶縁部材によって絶縁されている。このステム１１は、ＣＡＮパッケージ１の端部外面におけるグランド部であり、光モジュールのグランド（ＧＮＤ）となるもので、主基板に取り付けられる際に外部に露呈している他方の面がグランドに接続されて接地される。

アダプタ（レンズキャップ）１２には、光ファイバ終端に対向して光信号を集光するレンズ１９が配置されている。このアダプタ（レンズキャップ）１２の端部には、ホルダ１３の一方の開口端が接着等により取り付けられる。ホルダ１３の他方の開口端には、光ケーブルのコネクタ１４が取り付けられる。

続いて、以下の実施形態において、光モジュールのＣＡＮパッケージと主基板との接続構成を示す。

（第１の実施形態）
図３は本発明の第１の実施形態に係る光モジュールのＣＡＮパッケージの概略構成を示す斜視図である。図４は第１の実施形態の光モジュールにおけるＣＡＮパッケージを主基板に取り付けた状態の接続構造を示す図であり、図４（ａ）は側断面図、図４（ｂ）は平面図である。

第１の実施形態の光モジュールは、ＣＡＮパッケージ１に放熱部材２が取り付けられて構成される。放熱部材２は、導電体で熱伝導率の高いアルミニウムや銅合金等の金属板等からなり、内側が後述する主基版の厚みに相当する隙間を形成するようにコの字状（Ｕ字状）に屈曲した形状に構成されている。そして、放熱部材２の屈曲部分の基端部が、ステム１１の外表面に密着し、ハンダ付けまたは溶接等により一体化した状態に取り付けられる。これにより、ＣＡＮパッケージ１のステム１１と放熱部材２とが、熱伝導性の高い状態で、かつ、電気的に導通した状態で一体化して構成される。なお、放熱部材２の基端部及びコの字状の延出部内面は、リード１７と短絡しない範囲でできるだけ広いことが望ましい。このような放熱部材２の構成によって、ＣＡＮパッケージ１で発生した熱が放熱部材２に効率良く伝わって放熱される。

放熱部材２は、コの字状の延出部内側の隙間に主基板３を挟み込む形でこの主基板３に組み付けられて結合し、延出部内面が主基板３の両面に形成されたグランドパターンと密着してハンダ付け等により電気的に接続されて固定される。これにより、ＣＡＮパッケージ１で発生した熱が放熱部材２を介して主基板３の両面まで効率良く伝わり、主基板３を放熱板として利用できる。また、ステム１１に実装された復調回路を含むＩＣなどの電子部品１６のグランドが、ステム１１、放熱部材２を経て主基板３のグランドパターンと最短距離で余分な抵抗成分が生じない状態で接続されるので、光モジュールにおける回路のグランド電位を安定化させることができる。なお、主基板３のグランドパターンは片面のみに設けてもよいし、それぞれの面で一部に設けるようにしてもよい。

ステム１１から延出したリード１７は、主基板３に合わせて屈曲され、主基板３の端部に形成された回路パターンとハンダ付け等によって電気的に接続される。このとき、リード１７の中で信号伝送を担うリードを主基板３と最短距離で接続できるように、放熱部材２の取り付け角度を決めることにより、リード１７の中で信号伝送を担うリードの配線部分のインピーダンス不整合による高周波特性の劣化を抑制することができる。また、放熱部材２を主基板３に挟み込んで固定しているため、主基板３、放熱部材２、リード１７の配設位置が固定され、主基板３に対してリード１７の位置が回転したりしないため、リードの接続の製造個体差を抑制できるので、安定した高周波特性を得ることができる。

上述した第１の実施形態の光モジュールによれば、ＣＡＮパッケージで発生した熱を放熱部材及び主基板の両面から放散することができるので、熱拡散面積及び容量が大きく確保でき、放熱特性を向上させた光モジュールのＣＡＮパッケージを実現できる。また、光モジュール回路のグランド電位を安定化させ、高周波特性を向上させることができる。

このような放熱特性を向上させたＣＡＮパッケージを用いることにより、ＣＡＮパッケージ内に消費電力の大きい復調回路等を内蔵することができ、消費電力の大きい回路を内蔵しても十分な放熱特性が得られるとともに、後段の復調回路等を含めることで配線長が短縮し、かつ回路間のグランド電位が安定化して高周波特性が向上することで復調前の信号品質が向上するため、復調信号品質をさらに向上でき、光モジュールの小型化及び量産性の向上を図ることができる。また、温度上昇による特性の劣化も抑制できる。

また、ＣＡＮパッケージの信号伝送を担うリードを最短距離で安定的に接続することができるので、信号端子接続部のインピーダンス不整合による高周波特性の劣化を低減することができる。このように本実施形態では、消費電力の大きい部品を内蔵しつつも、放熱特性の向上と高周波特性の安定化を両立できる。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの概略構成を示す図であり、図５（ａ）は光モジュールにおけるＣＡＮパッケージを主基板に取り付けた状態の接続構造を示す平面図、図５（ｂ）はその側断面図、図５（ｃ）はＣＡＮパッケージ取り付け部分の斜視図である。

第２の実施形態の光モジュールは、第１の実施形態と同様のＣＡＮパッケージ１に支持部材２２及び装着部材２３が取り付けられて構成される。支持部材２２は、アルミニウム等の金属材料等からなり、ＣＡＮパッケージ１を取り付ける台状の突部を有し、主基板２１に取り付け固定される。支持部材２２を主基板２１に取り付けた状態では、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、支持部材２２の突部が上部に突出して露呈している。装着部材２３は、円弧形状で両端がフランジ状に形成された熱伝導性の良い洋白板等からなり、ＣＡＮパッケージ１の外周を上方から巻きつける状態で保持し、支持部材２２との間に挟み込んだ状態で、両端のフランジ部がネジ止め等で支持部材２２に対して固定される。これにより、ＣＡＮパッケージ１の側面部分が支持部材２２上に載置されて固定される。なお、装着部材２３は、板形状に限るものではなく、金属等のブロック材をＣＡＮパッケージ１と嵌合するように略半円筒状にくりぬいた形状などとしてもよい。このようなブロック形状の場合、板形状に比べて熱容量、熱拡散面積が増えるので、補助的な放熱効果が得られる。

ＣＡＮパッケージ１のステム１１には、接続基板２４が密着して取り付けられる。そして、接続基板２４の一側端部が主基板２１に当接して密着し、Ｌ字状の金属材料等の導電材料からなる固定部材２５によって接続基板２４と主基板２１とが連結されて固定される。このとき、ステム１１が接続基板２４の当接面に設けられたグランドパターンとハンダ付け等により電気的に接続され、接続基板２４のグランドパターンが主基板２１の取付面に設けられたグランドパターンと直接または固定部材２５を介して電気的に接続される。なお、接続基板２４及び主基板２１のグランドパターンは片面のみに設けてもよいし、両面に設けてもよいし、それぞれの面で一部に設けるようにしてもよい。この第２の実施形態では、接続基板２４及び固定部材２５が放熱部材として機能する。

接続基板２４は、熱伝導性に優れたガラスエポキシ樹脂等で構成され、ＣＡＮパッケージ１のステム１１から延出するリード１７の位置に対応してスルーホールが設けられている。このスルーホールはグランドパターンと絶縁されている。ＣＡＮパッケージ１のステム１１と接続基板２４とが密着して固定され、リード１７がフォーミングされることなく直線状にスルーホールを挿通してハンダ付け等により電気的に接続される。そして、このスルーホールが主基板２１の配線パターンと電気的に接続される。

上記構成により、ＣＡＮパッケージ１で発生した熱は、支持部材２２及び装着部材２３に伝わって放熱され、さらに支持部材２２から主基板２１に伝わるとともに、ステム１１から接続基板２４、固定部材２５を介して主基板２１に効率良く伝導されて放熱される。このように第２の実施形態では、熱拡散面積及び容量、並びに熱伝導経路が増加して放熱効率が向上する。また、ステム１１に実装された復調回路を含むＩＣなどの電子部品のグランドが、ステム１１、接続基板２４を経て主基板２１のグランドパターンと短距離で余分な抵抗成分が生じない状態で接続されるので、光モジュールにおける回路のグランド電位を安定化させることができる。また、リード１７、接続基板２４、主基板２１の配設位置が固定されるため、リード接続の製造個体差を抑制できるので、安定した高周波特性を得ることができる。

上述した第２の実施形態の光モジュールによれば、ＣＡＮパッケージで発生した熱を接続基板、固定部材を介して主基板に伝導できるとともに、装着部材、支持部材を介して主基板に伝導でき、支持部材や主基板から放散することが可能な構成とし、放熱特性を向上させた光モジュールのＣＡＮパッケージを実現できる。

このような放熱特性を向上させたＣＡＮパッケージを用いることにより、ＣＡＮパッケージ内に消費電力の大きい復調回路等を内蔵することができ、消費電力の大きい回路を内蔵しても十分な放熱特性が得られるとともに、後段の復調回路等を含めることで復調前の高周波信号特性をさらに向上して復調信号品質を向上でき、光モジュールの小型化及び量産性の向上を図ることができる。

また、接続基板を介する構成としてＣＡＮパッケージのリードをフォーミングすることなく、接続基板の厚み程度の短い端子長とし、短距離で安定的に主基板に接続することができるので、信号端子接続部のインピーダンス不整合による高周波特性の劣化を低減することができる。このように本実施形態では、消費電力の大きい部品を内蔵しつつも、放熱特性の向上と高周波特性の安定化を両立できる。

本実施形態の光モジュールは、ＦＴＴＨシステムにおけるＶ−ＯＮＵ（Video-Optical Network Unit）、ＧＥ−ＯＮＵ（Gigabit Ethernet-Optical Network Unit）、Ｄ−ＯＮＵ（Data-Optical Network Unit）などの光受信装置等に設けられる、光ファイバの終端部に用いられるものである。特に、伝送速度１０Ｇｂｐｓ以上の光通信に使用可能な高伝送速度対応の光通信部などに好適である。

なお、本発明は上記の実施形態において示されたものに限定されるものではなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

本発明は、ＣＡＮパッケージを用いて構成する際に、放熱特性を向上させるとともに、高周波数帯での周波数特性の安定化を図ることが可能となる効果を有し、ＦＴＴＨシステムにおける光受信装置等に設けられるＣＡＮパッケージ構造を持つ光モジュール等として有用である。

本発明の実施形態に係る光モジュールのＣＡＮパッケージの構成を示す図 本実施形態のＣＡＮパッケージにおけるステムの概略構成を示す図 本発明の第１の実施形態に係る光モジュールのＣＡＮパッケージの概略構成を示す斜視図 第１の実施形態の光モジュールにおけるＣＡＮパッケージを主基板に取り付けた状態の接続構造を示す図 本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの概略構成を示す図 従来のＣＡＮパッケージ構造の光モジュールの内部構成を示す断面図

符号の説明

１ ＣＡＮパッケージ
２ 放熱部材
３、２１ 主基板
１１ ステム
１５ フォトダイオード
１６ 電子部品
１７ リード
１９ レンズ
２２ 支持部材
２３ 装着部材
２４ 接続基板
２５ 固定部材

Claims (4)

1. 光電変換素子及び電子部品を内蔵したＣＡＮパッケージと、
   前記ＣＡＮパッケージの端部外面におけるグランド部に密着または一体化した状態に設けられる放熱部材と、
   前記放熱部材を介して前記ＣＡＮパッケージと結合され、少なくとも一方の面にグランドパターンを有する主基板とを備え、
   前記放熱部材は、導電体材料からなり、前記主基板のグランドパターンに密着した状態で組み付けられて電気的に接続され、
   前記ＣＡＮパッケージより延出する端子が前記放熱部材と前記主基板との組み付けにより位置固定された状態で前記主基板の配線に接続される光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールであって、
   前記放熱部材は、コの字状またはＵ字状に形成された板状部材を有してなり、屈曲部分の基端部が前記ＣＡＮパッケージのグランド部に密着または一体化した状態にあり、他方のコの字状またはＵ字状の延出部内側の隙間に前記主基板が挟み込まれて前記主基板と結合し、前記延出部の内面が前記主基板のグランドパターンに密着して電気的に接続される光モジュール。
3. 請求項１に記載の光モジュールであって、
   前記放熱部材は、少なくとも一方の面にグランドパターンを有するとともに前記ＣＡＮパッケージより延出する端子を挿通するスルーホールを有する接続基板と、導電材料からなり前記接続基板を前記主基板に固定する固定部材とを有して構成され、前記接続基板のグランドパターンを有する面が前記ＣＡＮパッケージのグランド部に密着して固定され、前記接続基板の一側端部と前記主基板とが密着して前記固定部材により連結固定され、前記接続基板のグランドパターンと前記主基板のグランドパターンとが直接または前記固定部材を介して電気的に接続される光モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光モジュールであって、
   前記ＣＡＮパッケージは、前記電子部品として復調回路を含むＩＣを内蔵する光モジュール。

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