JP2012044095A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光モジュールの筐体を構成する放熱カバーの放熱接触面と、光サブアセンブリを構成するセラミックパッケージの背面の放熱面部とが、簡単で安価な構造で熱的に結合され、効果的に放熱することができる光モジュールおよびその組立方法を提供する。
【解決手段】光電変換素子が実装された光サブアセンブリ２１、電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板１５等を、放熱カバー１１により覆った光モジュールであって、少なくとも発光素子が実装される光サブアセンブリ２１がセラミックパッケージ２２で形成される。該セラミックパッケージの背面の放熱面２５が放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂと直交するように配され、前記の放熱面２５と放熱接触面１１ｂとは弾性と熱伝導性を有する金属板からなる放熱板１６により熱的に結合される。
【選択図】図３

Description

本発明は、光通信のための光サブアセンブリを備えた光モジュールに関する。

光通信に用いられる光モジュールは、光信号を送信する送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）、光信号を受信する受信用光サブアセンブリ（RＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）、または、光信号を送受信する構成を持つ送受信用光サブアセンブリ等の光サブアセンブリを、多数の電子部品を実装した回路基板と共にハウジング内に搭載して構成される。この場合、送受信の双方の機能を備えるものは、一般に光トランシーバとも言われている。

光モジュールを構成する光サブアセンブリには、光通信のための発光素子、受光素子等の光電変換素子が実装されている。これらの光電変換素子のうちで、大きな発熱を伴う素子、あるいは温度制御を必要とする素子に対しては、放熱機構が必要とされる。このための放熱機構として、例えば、特許文献１には、発熱部品の熱を放熱シートと放熱ブロックにより、金属製カバーに伝えて放熱することが開示されている。また、特許文献２には、ＴＯＳＡ、RＯＳＡからの熱を伝熱シートと放熱部材を介して外装用の金属製カバーの内壁面に接触させて、放熱することが開示されている。

特許第３９２２１５２号公報 特開２００７−２２７７０７号公報

図９は、従来の放熱機構を模式的に示した図で、ＴＯＳＡ等の光サブアセンブリ１０１を回路基板１０５と共に、上部カバー１０２と下部カバー１０３からなる筐体内に搭載した例を示している。光サブアセンブリ１０１は、発熱部品（例えば、レーザダイオードを用いた発光素子）が実装されるパッケージ部１０１ａ、回路基板への配線のための端子部１０１ｂ、光ファイバとの接続のためのスリーブ部１０１ｃからなる。端子部１０１ｂには、フレキシブル回路基板（ＦＰＣ）１０４が接続され、リジッドな回路基板１０５に電気的に接続される。

発熱部品が実装されたパッケージ部１０１ａ内の熱は、パッケージ側面と金属製の上部カバー１０２の放熱接触面１０２ａまたは下部カバー１０３の放熱接触面１０３ａとの間に、熱伝導性の良い伝熱シート（または、放熱シート）１０６ａまたは１０６ｂを介在させて熱結合させることにより、放熱することができる。この場合、パッケージ部１０１ａの放熱面と上下部カバーの放熱接触面１０２ａ，１０３ｂは平行になっている。

しかしながら、近年、より小さくて安価な矩形状のセラミック枠を積層したセラミックパッケージの開発が進められている。このセラミックパッケージを用いた光サブアセンブリはその構造上、外部への放熱面が、光ファイバと信号光を送受する側を前面側とするとパッケージの背面側となる。このため、パッケージの放熱面が上下部カバーの放熱接触面と平行とならず、従来のように伝熱シートを介して熱結合することが難しいという問題がある。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、光モジュールの筐体を構成する放熱カバーの放熱接触面と、光サブアセンブリを構成するセラミックパッケージの背面の放熱面部とが、簡単で安価な構造で熱的に結合され、効果的に放熱することができる光モジュールの提供を目的とする。

本発明による光モジュールは、光電変換素子が実装された光サブアセンブリ、電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板を、放熱カバーにより覆った光モジュールであって、少なくとも発光素子が実装される光サブアセンブリがセラミックパッケージで形成される。該セラミックパッケージの背面の放熱面が放熱カバーの放熱接触面と直交するように配され、前記の放熱面と放熱接触面とは弾性と熱伝導性を有する金属板からなる放熱板により熱的に結合される。

前記の放熱板は、セラミックパッケージの前面側に係合される支持部片と、該支持部片からＵ字状に曲げられてセラミックパッケージの背面の放熱面に弾性的に接触する熱結合部片と、支持部片に側縁側から熱結合部片と直交する方向に延びて放熱カバーの放熱接触面に弾性的に接触する放熱部片を備えている。また、放熱板は、下部カバーにも弾性的に接触する放熱部片を備えていてもよい。
なお、セラミックパッケージの背面に電子冷却器を搭載して、発熱素子の温度調節を行うようにする。

本発明によれば、光モジュール筐体を構成する放熱カバーの放熱接触面と光サブアセンブリを構成するセラミックパッケージの背面の放熱面とが、互いに直交していても、弾性と熱伝導性を有する金属板からなる放熱板を介して容易に熱的に結合させることができる。この結果、セラミックパッケージ内で発生する熱を放熱カバーに効果的に伝熱させて放熱させることが可能となる。また、このための放熱板は簡単な形状で安価な材料で形成することができる。

本発明が適用される光モジュールの一例を示す図である。 図１の光モジュールの放熱カバー（上部カバー）を外した状態を示す図である。 本発明の特徴部分を説明する図である。 本発明に用いる光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）の一例を説明する図である。 図４の光サブアセンブリの外観を示す図である。 光モジュールに搭載される、ＴＯＳＡとＲＯＳＡの一例を示す図である。 本発明に用いる放熱板の一例を説明する図である。 本発明に用いる放熱板の組付け状態を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

図により、本発明の実施の形態を説明する。本発明による光モジュールは、例えば、図１に一例として示すような形状の光トランシーバ１０に適用することができる。この光トランシーバ１０は、後述する光電変換素子が実装されたＴＯＳＡ、ＲＯＳＡおよび電気信号の伝送・制御等を行う電子部品群が搭載された回路基板を、上部カバー（放熱カバー）１１と下部カバー１２により覆って構成される。

上部カバー１１および下部カバー１２は、光トランシーバの筐体を兼ね、金属製とすることにより内部に搭載される発熱部品の放熱体としての機能を備える。特に、上部カバーには、放熱フィン１１ａを設けて放熱性能を高めるように形成される。上下部カバー１１，１２の前部には、ホスト装置の挿着口を塞ぐようにして取付けるためのフランジ部１３を有し、その前方には、光コネクタを装着するレセプタクル部１４を備えている。上下部カバー１１，１２の後部には、回路基板の後端に形成された電気コネクタ部１５ａが突き出ていて、ホスト装置との電気接続に供される。

図２は、図１の上部カバー１１を取り外した状態の図で、光トランシーバ１０の概略を示している。下部カバー１２には、回路基板１５が搭載され、光電変換や電気信号の授受のための電子部品群やＩＣ２０等が実装されている。下部カバー１２の前部側には、光信号を送信するＴＯＳＡ２１および光信号を受信するＲＯＳＡ３１が搭載され、フレキシブル回路板２７，３４を介して、回路基板１５に電気的に接続されている。

光トランシーバ１０を構成する部品の中で、主な発熱部品としては、後述するＴＯＳＡ２１内に実装される発光素子（例えば、レーザダイオード）と、回路基板１５上に実装されるＩＣ２０とがある。本発明においては、特に、ＴＯＳＡ２１からの発熱を効果的に放熱するための放熱機構を提供することにあり、その概略としては、ＴＯＳＡ２１のセラミックパッケージ（以下、単にパッケージ部という）には、放熱板１６を熱結合させている。そして、放熱板１６と上部カバー１１（以下、放熱カバーという）とを熱的に接触させることで、ＴＯＳＡ２１からの熱を放熱カバーに伝熱させる。

図３は、上述したＴＯＳＡ２１の放熱機構を説明する図で、部分断面で示してある。ＴＯＳＡ２１の詳細は次の図４〜図６で説明するが、パッケージ部２２にジョイントスリーブ２３を介してスリーブ２４を結合して構成される。この構成のＴＯＳＡ２１では、パッケージ部２２内の熱は、パッケージ側面ではなくパッケージ背面から放熱させる構成となる。このため、放熱カバー１１の内壁面（以下、放熱接触面という）１１ｂとパッケージ背面の放熱面部２５とは平行ではなく、直交する形態となる。

本発明においては、ＴＯＳＡ２１のパッケージ部２２に着脱可能に、弾性と熱伝導性のある金属板からなる放熱板１６を取付けている。この放熱板１６は、詳細な形状については後述するが、パッケージ部２２に支持させるための支持部片１７、パッケージ背面の放熱面部２５に弾性的に接触する熱結合部片１８、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂに弾性的に接触する放熱部片１９からなる。また、下部カバー１２の内壁面に弾性的に接触する放熱部片１９’を設け、下部カバー１２側からも放熱させるようにしてもよい。
この構成により、パッケージ部２２内で発生する熱は、放熱板１６を伝熱媒体として放熱カバー１１に伝熱され、外部に放熱することができる。

放熱板１６は、アルミニウムや銅などの金属または合金などの熱伝導性が良く、弾性のある板金等で形成される。なお、パッケージ背面の放熱面部２５と放熱板１６の熱結合部片１８との接触面間には、伝熱シートあるいは熱伝導性のゲル等を介在させるようにしてもよい。また、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂと放熱部片１９との間にも同様に伝熱シートあるいは熱伝導性のゲル等を介在させるようにしてもよい。伝熱シートは、図９で説明したのと同様なもので、接触面間の凹凸のある空隙を埋めるように弾性変形し、ＴＯＳＡ２１からの熱を放熱板１６に良好に伝熱させる。

なお、ＴＯＳＡ２１は、スリーブ２４の部分を放熱カバー１１と下部カバー１２で保持固定し、その軸方向位置が位置決めされる。ＴＯＳＡ２１は軸方向の調心が行われるので、製品ごとにパッケージ部２２の位置にバラツキがあるが、放熱板１６は、後述するようにパッケージ部２２に取付けて支持されるので、パッケージ部２２の軸方向位置に関係なく放熱面部２５と熱結合部片１８とを接合させることができる。また、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂに対しては、放熱板１６の放熱部片１９は、下方向（放熱カバーに接離する方向）に弾性変位が可能に形成されているので、製造誤差等による変動を吸収して、良好な接触状態を確保することができる。

図４〜図６は、本発明で使用されるＴＯＳＡ２１の一例で、複数の矩形状のセラミック枠を積層してなるパッケージ部２２に、ジョイントスリーブ２３を介して、光ファイバとの光結合を形成するためのスリーブ２４を結合して構成される。ＴＯＳＡ２１のパッケージ部２２は、図４の破断面図で示すように、複数の矩形状セラミック枠を積層して側壁部２２ａを形成し、その一部は外部回路との電気接続を形成する端子部２２ｂとされ、背面に底壁として金属板を用い放熱面部２５としている。側壁部２２ａの上部には、補助壁２２ｃ介してジョイントスリーブ２３と嵌合連結する連結部２２ｄが設けられている。

パッケージ部２２の底壁を形成する放熱面部２５には、ペルチェ素子等の電子冷却装置（ＴＥＣ）２６が実装され、発熱電極側が放熱面部２５に接合される。ＴＥＣ２６の吸熱電極側には、発熱部品であるレーザダイオード（ＬＤ）等が実装され、温度調整された状況で駆動制御される。なお、パッケージ部２２内には、ＬＤの他にＬＤの発光状態をモニタするフォトダイオード、ＬＤからの信号光を集光して光ファイバに光結合させるための集光レンズ等が実装されている。

ジョイントスリーブ２３は、パッケージ部２２とスリーブ２４とを調心して連結するためのものである。パッケージ部２２とは、連結部２２ｄの筒状の嵌合部分において矢印Ｚで示す軸方向に対する調心が行われる。スリーブ２４とは、矢印ＸＹ方向の調心で、スリーブ端の面方向の接合位置を調整することにより行われる。

スリーブ２４は、外部に光信号を送出するための光ファイバを接続するものである。このスリーブ２４は、光ファイバの端部に取付けられたフェルールが挿入されるフェルール挿着孔２４ａを有し、例えば、短尺の光ファイバ２４ｃが収納されたスタブ２４ｂを有する。パッケージ部２２内のＬＤから送出された信号光は、短尺光ファイバ２４ｃの入力端に集光され、出力端からフェルール挿着孔２４ａに挿着された光ファイバに送出されて送信される。

パッケージ部２２の背面の底壁を形成する放熱面部２５は、図５に示すように、矩形状でパッケージ部の背面から多少突出するように形成される。また、パッケージ部２２の背面には、放熱面部２５を避けた２辺のＬ字状の領域に、端子部２２ｂが設けられている。この端子部２２ｂには、図６に示すように、放熱面部２５を避けるように形成された回路端子部２７ａを有するフレキシブル回路板２７が接続され、前述した回路基板１５に電気的に接続される。

なお、図６には、ＲＯＳＡ３１を、ＴＯＳＡ２１と比較のため並置した状態で示してある。ＲＯＳＡ３１は、同軸型のパッケージ部（ＣＡＮ型パッケージ）３２に、スリーブ３３を結合して構成される。また、回路基板１５との接続にはピン接続タイプの回路端子部３４ａを有するフレキシブル回路板３４が用いられる。

図７は、上述した放熱板１６の一例を示し、図８はＴＯＳＡに放熱板１６を組付けた状態を示し、それぞれ２方向から斜視した図である。放熱板１６は、アルミニウムや銅などの金属または合金などの熱伝導性が良く、弾性のある金属板の加工によって形成することができる。
なお、例えば、放熱板に用いるアルミ板の熱伝導率は２３６（Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅板の熱伝導率は３９８（Ｗ／ｍ・Ｋ）、亜鉛板の熱伝導率は９８（Ｗ／ｍ・Ｋ）で、樹脂材と比べて圧倒的に熱伝導率がよい。

放熱板１６は、図７に示すように、一枚の金属板から一体に形成された単一部材で、主たる構成として、支持部片１７、熱結合部片１８、放熱部片１９を有している。支持部片１７は、放熱板１６をＴＯＳＡのパッケージ部に保持して支持するためのベース部となるもので、Ｕ字条の切込みを入れて二股状の脚片１７ａとし、この脚片１７ａの先端部分は折り曲げられて舌片１７ｂとされている。

熱結合部片１８は、支持部片１７の面と平行でパッケージ背面の放熱面に面接触する平面を有し、支持部片１７の後部側を延在させて連結部１８ａを経てＵ字状に折り曲げて形成される。放熱部片１９は、支持部片１７の一方の脚片１７ａの側部側を延在させて熱結合片１８の面と直交するように折り曲げて形成され、放熱カバーの放熱接側面に面接触する平面を有している。また、放熱部片１９の先端部分は、開口１９ｂを開けてバネ性が付与されたアーム部片１９ａが設けられている。
この他、支持部片１７の他方の脚片１７ａの側部側には、放熱部片１９と反対の側の下部カバーに接触する放熱部片１９’が、弾性を付与するための屈曲部１９’ａを介して形成されていてもよい。

放熱板１６は、図８に示すように、ＴＯＳＡ２１のパッケージ部２２を、支持部片１７と熱結合部片１８とで抱き込むようにして組付けられる。支持部片１７は、二股状の脚片１７ａ間のＵ字状の切欠き部分からＴＯＳＡ２１に嵌め込んでパッケージ部２２の前面側に取付けられる。パッケージ部２２の背面には、熱結合部片１８が当接し、二股状にされた脚片１７ａの先端部分の舌片１７ｂがパッケージ部２２の側面に係合され、これにより、放熱板１６はＴＯＳＡ２１を抱き込むようにして支持され、仮保持される。

支持部片１７の二股状にされた脚片１７ａの一方の側部に一体に設けられた放熱部片１９は、パッケージ部２２上を跨ぎ、熱結合部片１８の方向と直交する方向に延在し、上述した放熱カバーの放熱接触面に弾性的に変位された状態で接触するように、多少上方側に張り出すように形成される。また、支持部片１７の二股状にされた脚片１７ａの他方の側部に設けられた放熱部片１９’は、下部カバーに接触するように、同様に多少下方側に張り出すように形成される。

上記のように形成された放熱板１６の組付けについて、さらに図３に戻って補足説明する。放熱部片１９は、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂに接触するとともに、凸壁面１１ｃに放熱部片１９のバネ性が付与されたアーム部片１９ａが矢印ａで示すように弾性的に当接される。アーム部片１９ａの弾性変位に対する反力が、放熱部片１９と支持部片１７とを経て、連結部１８ａにより熱結合部片１８に伝達される。これにより熱結合部片１８は、矢印ｂで示すように、パッケージ背面の放熱面部２５を押圧するように作用する。パッケージ背面の放熱面部２５は、ＴＯＳＡ２１が位置決めされた固定位置にあるので、熱結合部片１８の押圧作用を受けて接触し良好な熱結合が形成される。

また、放熱部片１９，１９’は、予め放熱カバー１１および下部カバー１２の内壁面から、上記したように張り出すように形成しておくことにより、放熱カバー１１および下部カバー１２が閉じられたときに弾性的に変形し、その弾圧力で接触し良好な熱結合が形成される。
この結果、一体形成された単一の放熱板１６により、互いに直交する関係にあるパッケージ背面の放熱面部２５と放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂとを、熱的に良好な伝熱路を形成することができる。

上述したように本発明によれば、板金加工等による単一の放熱板１６を、ＴＯＳＡ２１のセラミックからなるパッケージ背面の放熱面部２５に支持させるだけで、良好な放熱機構を形成することができる。また、放熱板１６とパッケージ背面の放熱面部２５との間、放熱板１６と放熱カバー１１との間には、伝熱シートや伝熱グリース等を介在させるようにしてもよいが、金属面の直接接触による熱的な結合で、放熱効果をより高めることができる。

１０…光トランシーバ、１１…上部カバー（放熱カバー）、１２…下部カバー、１３…フランジ部、１４…レセプタクル部、１５…回路基板、１６…放熱板、１７…支持部片、１８…熱結合部片、１９，１９’…放熱部片、１９ａ…アーム部片、２０…ＩＣ、２１…光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）、２２…セラミックパッケージ（パッケージ部）、２３…ジョイントスリーブ、２４…スリーブ、２５…放熱面部、２６…電子冷却装置、２７…フレキシブル回路板。

Claims (3)

1. 光電変換素子が実装された光サブアセンブリ、電気信号の授受を行う電子部品群が実装されている回路基板を、放熱カバーにより覆った光モジュールであって、
   少なくとも発光素子が実装される光サブアセンブリがセラミックパッケージで形成され、前記セラミックパッケージの背面の放熱面が前記放熱カバーの放熱接触面と直交するように配され、前記放熱面と前記放熱接触面とは弾性と熱伝導性を有する金属板からなる放熱板により熱的に結合され、
   前記放熱板は、前記セラミックパッケージの前面側に係合される支持部片と、該支持部片からＵ字状に曲げられて前記セラミックパッケージの背面の放熱面に弾性的に接触する熱結合部片と、前記支持部片に側縁側から前記熱結合部片と直交する方向に延びて前記放熱カバーの放熱接触面に弾性的に接触する放熱部片を備えていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記放熱板は、下部カバーにも弾性的に接触する放熱部片を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記セラミックパッケージの背面に電子冷却器が搭載され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。

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