JP2011002477A

JP2011002477A - 光通信モジュール

Info

Publication number: JP2011002477A
Application number: JP2009142947A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Shono; 篤士正野
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-01-06
Also published as: US20100316338A1; TW201111850A; CN101975980B; CN101975980A

Abstract

【課題】放熱性や耐ノイズ性や組立精度が良好な光通信モジュールを提供する。
【解決手段】ステム部材４とレンズキャップ５からなるＣＡＮ部材は金属で形成できるので、光学電子部品の放熱性を良好とすることができる。それでも金属製のＣＡＮ部材と円筒ホルダ２とが絶縁性樹脂３で固定されているので、ＣＡＮ部材の光学電子部品を周囲から絶縁状態に維持することができる。金属製の円筒部材でＣＡＮ部材が覆われているので、光学電子部品を周囲のノイズから良好に保護することができる。光レセプタクル６と円筒ホルダ２とはＺ軸スリーブ１によりスポット溶接で固定されているので、光レセプタクル６と円筒ホルダ２とＺ軸スリーブ１とを導通状態で良好な精度で簡単に組み立てることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステム部材とレンズキャップと円筒ホルダと光レセプタクルとＺ軸スリーブとで組み立てられていて光送信や光受信などに利用される光通信モジュール、その製造方法、に関する。

光通信モジュールは光信号を電気信号にまたは電気信号を光信号に変換する機能を有している。これらは光サブアセンブリ（ＯＳＡ：Optical Sub Assembly）と呼ばれており、光ファイバケーブルのコネクタである光レセプタクルを有する。

このようなＯＳＡを搭載したトランシーバにおいて、ホスト装置などから生じたノイズ信号がトランシーバのケースグラウンドを通じてＯＳＡに伝播される。ＯＳＡにおいてケースグラウンドとシグナルグラウンドが共通の場合、ノイズの影響により信号劣化、ＥＳＤ（Electrostatic Discharge）による回路故障の原因となる。

そのためＯＳＡにおいてケースグラウンドとシグナルグラウンドを分離することが必要である。また光通信速度はＭＨｚオーダからＧＨｚオーダに達し、近年では１０Ｇｂ／ｓの光通信が商用で用いられている。

高速化を実現するためＰＤ(Photo Diode)の受光径は従来の５０〜８０μｍφから２０〜３０μｍφと小さくなり、小さい受光径に精度よく結合することが求められている。さらに、ＬＤ(Laser Diode)モジュールは低消費電力が求められるため、放熱特性がよいことが求められている。

また、近年はトランシーバモジュールの小型化が進み、ＬＤ、ＰＤモジュールとも小型のパッケージを必要とされている。これらのノイズ対策、高精度結合、小型化を両立させる技術が求められている。

現在、図６および図７に示すように、光通信モジュールおよびそれを搭載した光トランシーバの技術が出願されている。その技術ではケースグラウンドとシグナルグラウンドを絶縁するために、ステム部材内に円形に絶縁部を有する構造となっている。光レセプタクルは筐体グラウンドに接続されており、シグナルグラウンドと絶縁されている。そのため、外部からの電気的遮蔽効果を有している(例えば、特許文献１参照)。

また、光レセプタクルおよびレセプタクルモジュールの技術も出願されている。その技術では、ケースグラウンドを絶縁材料であるスタブフェルールの先端部に配置し、シグナルグラウンドである金属部と電気的に絶縁している構造となっている(例えば、特許文献２参照)。

また、絶縁部材を有する絶縁ユニットを介してレセプタクルを接続している光通信モジュールも出願されている。絶縁ユニットとレセプタクル間ならびに絶縁ユニットとＣＡＮ部材（デバイスユニット）間はロウ付けまたは封着によって接続されている。この絶縁ユニットによってレセプタクルとＣＡＮ部材（デバイスユニット）間を絶縁している構造である(例えば、特許文献３参照)。

さらに、紫外線硬化樹脂を用いることで、レセプタクルと金属ベースに抵抗溶接されたレンズ付キャップを固定している光通信モジュールの出願もある(例えば、特許文献４参照)。

特開２００８−１７７３１０号公報特開２００７−１３３２２５号公報特開２００８−０９６５８８号公報特開２００８−１１６８６１号公報

しかし、特許文献１の技術では、ステム部材内に円形の絶縁部を有している。そのステム部材の構造は複雑であるため、一般的なステム部材に対してコストが高いという問題点がある。

また、円形の絶縁部があるため、部材の実装可能なエリアが狭く、特に受光通信モジュール（ＲＯＳＡ）に、この技術を用いると実装可能な部材が制限されるという問題がある。

さらに、一般に絶縁材料は熱伝導率がわるく、この技術では放熱特性が悪くなるという問題が発生する。特に光送信モジュール（ＴＯＳＡ）にこの技術を用いた場合、放熱部の大きさに制限があることによって、ＬＤの放熱特性が十分に得られないという問題がある。

また、特許文献２の技術では、図８に示すように、スタブフェルールを用いてケースグラウンドとシグナルグラウンドを分離しているが、分離部分だけ全長が長くなり、小型化という点で問題となる。

またレセプタクルのＣＡＮ部材（ステム部材、キャップ）側の金属部ならびにＣＡＮ部材はシグナルグラウンドに接続されており、電気的に絶縁されているのはレセプタクルの先端側のみであり、ＣＡＮ部材はシグナルグラウンドに接続されているため、１０Ｇｂ／ｓの着脱モジュールの業界標準規格であるＸＦＰ(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)やＳＦＰ＋(Small Form Factor Pluggable +)などの小型のトランシーバ内において送信側（ＴＯＳＡ側）から発生する放射ノイズを有効に遮断できないという問題がある。

特許文献３の技術でも、図９に示すように、電気的に絶縁されているのはレセプタクルの先端側のみのため、前者同様に放射ノイズを有効に遮断できない。特許文献４の技術のように、ＵＶ硬化樹脂を用いてレセプタクルとＣＡＮ部材を接続する方法もあるが、本方法では樹脂固定時の硬化収縮による光結合ずれが生じる。

一般的にＵＶ硬化樹脂の硬化収縮率は数％〜１０％ほどあるため、硬化収縮による光結合ずれ量は数μｍ〜１０μｍとなる。

２．５Ｇ通信用のＰＩＮ−ＰＤのように受光径が５０μｍと大きく、光結合ずれによる特性変化の影響が小さい場合には問題にならないが、１０ＧのＡＰＤ素子のように受光径が２０μｍ程度と小さい場合には結合ずれによる特性変化が大きく、レセプタクルとＣＡＮ部材の接続に樹脂を用いる方法は適用できない。ＬＤモジュールなど、数μｍ程度の結合ずれが光出力に影響される場合も、この方法は適用できない。

本発明の光通信モジュールは、光学電子部品が搭載されている導電性のステム部材と、光学電子部品と光学結合される光学レンズを支持してステム部材と導通状態で接続される導電性のレンズキャップと、光学レンズに対向する開口孔が形成されていてレンズキャップとステム部材からなるＣＡＮ部材に絶縁性樹脂により絶縁状態で固定されている導電性の円筒ホルダと、円筒ホルダの開口孔と対向する位置に配置されて光学電子部品および光学レンズと光学結合される光レセプタクルと、光レセプタクルと円筒ホルダとをスポット溶接で固定しているＺ軸スリーブと、を有する。

従って、本発明の光通信モジュールでは、導電性のステム部材に光学電子部品が搭載されている。その光学電子部品と光学結合される光学レンズを支持する導電性のレンズキャップがステム部材と導通状態で接続されている。さらに、その光学レンズに対向する開口孔が形成されている円筒ホルダがレンズキャップとステム部材からなるＣＡＮ部材に絶縁性樹脂により絶縁状態で固定されている。その円筒ホルダの開口孔と対向する位置に配置される光レセプタクルが光学電子部品および光学レンズと光学結合される。その光レセプタクルと円筒ホルダとはＺ軸スリーブによりスポット溶接で固定されている。このため、ステム部材の光学電子部品はレンズキャップの光学レンズと光レセプタクルと光学結合されて機能する。ステム部材とレンズキャップからなるＣＡＮ部材は金属で形成できるので、光学電子部品の放熱性を良好とすることができる。それでも金属製のＣＡＮ部材と円筒ホルダとが絶縁性樹脂で固定されているので、ＣＡＮ部材の光学電子部品が周囲から絶縁状態に維持される。金属製の円筒部材がＣＡＮ部材を覆うよう配置されているので、光学電子部品が周囲のノイズから良好に保護される。光レセプタクルと円筒ホルダとはＺ軸スリーブによりスポット溶接で固定されているので、光レセプタクルと円筒ホルダとＺ軸スリーブとを導通状態で良好な精度で簡単に組み立てられる。

また、上述のような光通信モジュールにおいて、ステム部材に搭載されている光学電子部品が受光素子からなってもよい。

また、上述のような光通信モジュールにおいて、ステム部材に搭載されている光学電子部品が発光素子からなってもよい。

本発明の光通信モジュールの製造方法は、ＣＡＮ部材に円筒ホルダを絶縁性樹脂により絶縁状態で固定し、円筒ホルダに光レセプタクルをＺ軸スリーブによりスポット溶接で固定する。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。

また、本発明の製造方法は、複数の製造工程を順番に記載してあるが、その記載の順番は複数の製造工程を実行する順番を限定するものではない。このため、本発明の製造方法を実施するときには、その複数の製造工程の順番は内容的に支障しない範囲で変更することができる。

さらに、本発明の製造方法は、複数の製造工程が個々に相違するタイミングで実行されることに限定されない。このため、ある製造工程の実行中に他の製造工程が発生すること、ある製造工程の実行タイミングと他の製造工程の実行タイミングとの一部ないし全部が重複していること、等でもよい。

本発明の光通信モジュールでは、ステム部材とレンズキャップからなるＣＡＮ部材は金属で形成できるので、光学電子部品の放熱性を良好とすることができる。それでも金属製のＣＡＮ部材と円筒ホルダとが絶縁性樹脂で固定されているので、ＣＡＮ部材の光学電子部品が周囲から絶縁状態に維持することができる。金属製の円筒部材でＣＡＮ部材が包囲されているので、光学電子部品が周囲のノイズから良好に保護することができる。光レセプタクルと円筒ホルダとはＺ軸スリーブによりスポット溶接で固定されているので、光レセプタクルと円筒ホルダとＺ軸スリーブとを導通状態で良好な精度で簡単に組み立てることができる。

本発明の実施の第一の形態の光通信モジュールの内部構造を示す縦断正面図である。光通信モジュールの製造方法を示す工程図である。従来の光通信モジュールの要部構造と温度分布との関係を示す特性図である。本実施の形態の光通信モジュールの要部構造と温度分布との関係を示す特性図である。本発明の実施の第二の形態の光通信モジュールの内部構造を示す縦断正面図である。第一の従来例の光通信モジュールを示す斜視図である。要部構造を示す二面図である。第二の従来例の光通信モジュールを示す縦断正面図である。第三の従来例の光通信モジュールを示す縦断正面図である。

本発明の実施の一形態を図面を参照して以下に説明する。図１に本発明を用いた光通信モジュールを示す。図２に本発明を用いた光通信モジュールの組立て方法を示す。図１に示すように、本実施の形態の光通信モジュールは、光学電子部品が搭載されている導電性のステム部材４と、光学電子部品と光学結合される光学レンズ５１を支持してステム部材４と導通状態で接続される導電性のレンズキャップ５と、光学レンズ５１に対向する開口孔が形成されていてレンズキャップ５とステム部材４からなるＣＡＮ部材に絶縁性樹脂３により絶縁状態で固定されている導電性の円筒ホルダ２と、円筒ホルダ２の開口孔と対向する位置に配置されて光学電子部品および光学レンズ５１と光学結合される導電性の光レセプタクル６と、光レセプタクル６と円筒ホルダ２とをスポット溶接で固定している導電性のＺ軸スリーブ１と、を有する。ステム部材４のベース、レンズキャップ５、光レセプタクル６、円筒ホルダ２、Ｚ軸スリーブ１は、例えば、金属で形成されている。

より具体的には、ステム部材４には、光学電子部品であるＰＤやプリアンプＩＣ(Integrated Circuit)やコンデンサなど部品が搭載されている(図示せず)。ステム部材４はレンズキャップ５により封止されている。

ステム部材４のベースならびにレンズキャップ５のステム部材４へ接続される部分は導電性であるため、シグナルグラウンドとレンズキャップ５は導通されている。ステム部材４とレンズキャップ５にて構成されたものをＣＡＮ部材と呼ぶ。

ＣＡＮ部材は絶縁性樹脂３によって円筒ホルダ２と接続されている。円筒ホルダ２はレンズキャップ５を覆うように配置されている。絶縁性樹脂３はＵＶ硬化もしくは熱硬化材料を用いる。絶縁性樹脂３は経時変化の小さく、金属同士の接続強度が強い材料が望ましい。

光レセプタクル６はＺ軸スリーブ１を用いて円筒ホルダ２とスポット溶接されている。スポット溶接にはＹＡＧ溶接が一般に用いられている。光レセプタクル６のうちスポット溶接される部分ならびにＺ軸スリーブ１および円筒ホルダ２は金属材料であるため、スポット溶接によりそれぞれが電気的に導通されている。

上述のような構成において、本実施の形態の光通信モジュールでは、ステム部材４とレンズキャップ５からなるＣＡＮ部材は金属で形成できるので、光学電子部品の放熱性を良好とすることができる。

それでも金属製のＣＡＮ部材と円筒ホルダ２とが絶縁性樹脂３で固定されているので、ＣＡＮ部材の光学電子部品を周囲から絶縁状態に維持することができる。金属製の円筒部材でＣＡＮ部材が包囲されているので、光学電子部品を周囲のノイズから良好に保護することができる。

光レセプタクル６と円筒ホルダ２とはＺ軸スリーブ１によりスポット溶接で固定されているので、光レセプタクル６と円筒ホルダ２とＺ軸スリーブ１とを導通状態で良好な精度で簡単に組み立てることができる。

より具体的には、本実施の形態の光通信モジュールでは、円筒ホルダ２とＣＡＮ部材は絶縁性樹脂３を用いて接続されているため、円筒ホルダ２とＣＡＮ部材との間は絶縁され、光レセプタクル６とＣＡＮ部材の間は絶縁されている。

本実施例の光通信モジュールを光伝送装置に搭載する場合、円筒ホルダ２をケースグランドに接続し、ステム部材４はシグナルグランドに接続することができる。つまり、シグナルグランドとケースグランドとを分けることができる。

さらに、各々金属からなる円筒ホルダ２がレンズキャップ５を覆うように絶縁性樹脂３で接続されているので、外部からの電磁ノイズはケースグランドへ逃がすことができる。

言い換えれば、外部からの電磁ノイズを遮蔽することもできる。また、一般にスポット溶接の接続精度は１μｍ以下であり、レセプタクルは精度よく円筒ホルダ２と接続されたＣＡＮ部材と光結合することが可能となる。

前述の特許文献２の技術では、レセプタクル部分に絶縁構造を有しているので、絶縁部の分だけパッケージが長くなる。本発明ではＣＡＰと円筒ホルダ２との間で絶縁しているため、レセプタクル長を長くする必要性がなく、ＯＳＡを小型化することが容易となる。

また、本実施の形態の光通信モジュールでは、前述の特許文献１の技術のようにステム部材４内に熱伝導率の悪い円形の絶縁部材がないため、放熱特性に優れている。具体的には図３、図４に示す。

図３は従来の光通信モジュールのステム部材４４、図４は本実施の形態の光通信モジュールのステム部材４の具体例である。本実施の形態のステム部材４および従来のステム部材４４は、光学電子部品である受光素子４１、発熱する電子部品であるプリアンプＩＣ４２、発熱する電子部品であるコンデンサ４３、等が搭載されている。

さらに、従来のステム部材４４では、上述のような各種部品が搭載されている中央部分と外周部分とが円環形の絶縁部分４５で絶縁されている。図３は上述のような従来の発明におけるステム部材４内の温度分布の実験結果である。

ステム部材４端での温度を２５℃としている。絶縁部ガラス封止であり、絶縁部での放熱特性が悪くなるため、プリアンプＩＣ４２の温度は自身の発熱により約４０℃まで上昇している。

しかし、本実施の形態の光通信モジュールでは、図４に示すように、絶縁部がないため、ステム部材４を介して熱が拡散され、ＩＣの温度は３５℃にとどまっている。本実験ではステム部材４端の温度を２５℃としたが、環境温度が高温になるにつれて、プリアンプＩＣの発熱量が増大し、従来例と本発明での温度差がひろがり、従来例では高温での特性が劣化する。

本実施の形態の光通信モジュールでは、絶縁部、すなわち放熱特性が悪い部材をつかっていないため、従来例と比較し、放熱特性がよく、環境温度に対して良好な特性を維持できる。

また、本実施の形態の光通信モジュールでは、組立てにスポット溶接を用いているため、絶縁性樹脂３による光レセプタクル６を固定する方法と比較し、光レセプタクル６を精度よく組立てることが可能となる。

本発明の第二の実施の形態を図５を参照して以下に説明する。本実施の形態の光通信モジュールは、送信側ＯＳＡからなる。本実施の形態では、実施の第一の形態と同様にＣＡＮ部材に絶縁性樹脂３をもちいて円筒ホルダ２を固定しており、光結合は光レセプタクル６およびＺ軸スリーブ１を用いてスポット溶接により接続固定している。

スポット溶接を用いているため、精度よく光結合することが可能となる。また、光レセプタクル６ならびにＺ軸スリーブ１ならびに円筒ホルダ２はＣＡＮ部材と絶縁され、且つＣＡＮ部材は樹脂を介して円筒ホルダ２で覆われている。

このため、外部からの電磁ノイズを遮蔽する効果があるとともに、光学電子部品であるＬＤ７のＣＡＮ部材から発生する電磁ノイズを、ケースグラウンドに接続された光レセプタクル６ならびにＺ軸スリーブ１ならびに円筒ホルダ２によって吸収することが可能となる。

従って、実際のトランシーバにおいて、ＬＤモジュール（ＴＯＳＡ）脇に実装される受光通信モジュール（ＲＯＳＡ）へのノイズ伝播量を減らすことが可能となり、ＴＯＳＡ、ＲＯＳＡとも良好な特性を実現することが可能となる。またステム部材４内に絶縁部材がないため、前述の特許文献１などと比較しても放熱特性が良い。

しかも、本実施の形態の光通信モジュールでは、光レセプタクル６が絶縁されたＬＤモジュールを実現するために、絶縁性樹脂をもちいて円筒ホルダ２を固定し、且つ高精度な結合を実現するために光レセプタクル６とＺ軸スリーブ１を用いてスポット溶接している。

以上説明したように、本実施の形態の光通信モジュールでは、光レセプタクル６にて絶縁構造をとった場合と比較し全長を短くすることが可能となる。さらに、光レセプタクル６を精度よく固定することが可能となる。

しかも、放射ノイズを低減することが可能となる。さらに、外部からの放射ノイズを低減することが可能となる。そして、ステム部材４内にて絶縁構造をとった場合と比較し放熱特性を改善することが可能となる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。

１Ｚ軸スリーブ
２円筒ホルダ
３絶縁性樹脂
４ステム部材
５レンズキャップ
６光レセプタクル
７ＬＤ
４１受光素子
４２プリアンプＩＣ
４３コンデンサ
４４ステム部材
４５絶縁部分
５１光学レンズ

Claims

光学電子部品が搭載されている導電性のステム部材と、
前記光学電子部品と光学結合される光学レンズを支持して前記ステム部材と導通状態で接続される導電性のレンズキャップと、
前記光学レンズに対向する開口孔が形成されていて前記レンズキャップと前記ステム部材からなるＣＡＮ部材に絶縁性樹脂により絶縁状態で固定されている導電性の円筒ホルダと、
前記円筒ホルダの前記開口孔と対向する位置に配置されて前記光学電子部品および前記光学レンズと光学結合される光レセプタクルと、
前記光レセプタクルと前記円筒ホルダとをスポット溶接で固定しているＺ軸スリーブと、
を有する光通信モジュール。
前記円筒ホルダは前記レンズキャップを覆うよう配置されている請求項１に記載の光通信モジュール。
前記ステム部材に搭載されている前記光学電子部品が受光素子からなる請求項１ないし２に記載の光通信モジュール。
前記ステム部材に搭載されている前記光学電子部品が発光素子からなる請求項１ないし２に記載の光通信モジュール。
請求項１に記載の光通信モジュールの製造方法であって、
前記ＣＡＮ部材に前記円筒ホルダを前記絶縁性樹脂により絶縁状態で固定し、
前記円筒ホルダに前記光レセプタクルを前記Ｚ軸スリーブによりスポット溶接で固定する光通信モジュールの製造方法。