JP2012064936A

JP2012064936A - 光モジュールおよびその組立方法

Info

Publication number: JP2012064936A
Application number: JP2011178930A
Authority: JP
Inventors: Kuniyuki Ishii; 邦幸石井; Hiromi Kurashima; 宏実倉島
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2012-03-29
Also published as: US8672562B2; CN102438426A; US20120045182A1; CN102438426B

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の放熱接触面と直交するように配され、放熱ブロック１６が、セラミックパッケージの背面の放熱面２５に熱結合されていると共に、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂにスライド可能に密接するように固定されている。
【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およびその組立方法に関する。

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１０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およびその組立方法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、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、放熱ブロックが、セラミックパッケージの背面の放熱面に熱結合されていると共に、放熱カバーの放熱接触面にスライド可能に密接するように固定されていることを特徴とする。
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。また、放熱ブロックは、放熱カバーに設けられた長孔に挿通されるガイドピンを有し、放熱カバーの外側からねじ締めにより固定可能とされている。

また、本発明による光モジュールの組立方法は、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の組立方法であって、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、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る。放熱ブロックをセラミックパッケージの背面の放熱面に熱結合するように付勢すると共に放熱カバーの放熱接触面に沿ってスライド可能に治具により保持させた後、放熱ブロックを放熱カバーの外部からのねじ締めにより放熱カバーの放熱接触面に密接するように固定することを特徴とする。

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、放熱ブロック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、このための放熱ブロック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。本発明の光モジュールに用いる放熱ブロックの一例を示す図である。本発明の光モジュールの組立に用いる治具の一例を示す図である。本発明の光モジュールの組立方法の一例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。この上部カバー１１には、本発明においては、発熱部からの熱を放熱する放熱ブロックを外部から取付け固定するための取付け凹部１１ｃが設けられている。また、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ＩＣ１９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ＩＣ１９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、放熱ブロック１６を熱結合させている。そして、放熱ブロック１６と上部カバー１１（以下、放熱カバーという）とを密接させることで、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のパッケージ背面の軸方向に放熱ブロック１６を配し、放熱ブロック１６の一方の端面１６ａをパッケージ背面の放熱面部２５に熱的に結合させる。また、放熱ブロック１６の端面１６ａと直交する上面１６ｂは、放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂに密接するようにして取付けられる。なお、放熱ブロック１６は、後述するように、治具２０を用いてパッケージ背面の放熱面部２５に矢印ａで示すように押しつけられて熱的に結合されように保持し、次いで、矢印ｂで示すようにねじ等のヘッド部１７ａを有する固定部材１７により放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂに密着するように固定する。
この構成により、パッケージ部２２内で発生する熱は、放熱ブロック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。

放熱ブロック１６は、アルミニウムや銅などの金属、または窒化アルミなどのセラミック等の熱伝導性の良い材料で形成される。なお、パッケージ背面の放熱面部２５と放熱ブロック１６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。伝熱シートは、図１０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からの熱を放熱ブロック１６に良好に伝熱する。

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、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、放熱ブロック１６は、後述するようにパッケージ部２２の軸方向位置に対して調整可能で、パッケージ部２２の軸方向位置に関係なく接合させることができる。また、放熱ブロック１６は、上下方向（放熱カバーに接離する方向）に対しても移動可能で、製造誤差等による変動を吸収して、良好な熱結合を確保することができる。さらに、放熱ブロックの一方の端部１６ａを、放熱面部２５よりも大きく形成しておくことにより、前記端部１６ａと放熱面部２５とが、製造誤差等の要因によって接触面に沿った方向に相対的な位置ズレが生じても、互いの接触面積が減少することを抑えることができる。

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、上述した放熱ブロック１６の一例を示し、上述したようにアルミニウムや銅などの金属、または窒化アルミなどのセラミック等の熱伝導性の良い材料で、成型、鋳造、焼結または機械加工等で形成することができる。形状としては矩形状で、少なくともパッケージ背面の放熱面に接合される平坦な端面１６ａと、放熱カバーの放熱接触面に接触される平坦な上面１６ｂとを有する。また、上面１６ｂにはガイドピン１８が一体的に設けられ、該ガイドピンから離れてヘッド１７ａを有するねじ等の固定部材１７を螺合挿入させるねじ孔１６ｃが形成されている。

図８は、上述の放熱ブロック１６を取付け固定する治具の一例を示す図で、弾性を有する金属板で形成される。この治具２０は、ベース部２０ａの両側に手で把持するためのコ字状に屈曲した把持片２０ｂを有し、一方の端部側にＬ字状のばね片２０ｃが設けられ、反対側の他方の端部にＵ字状に折り曲げられた係止片２０ｄが設けられている。

治具２０は、図３および図９（Ａ），（Ｂ）に示す方法で放熱ブロック１６を取付け固定するのに用いられる。なお、放熱ブロック１６は、図３において、放熱カバー１１が組付けられた状態で、ＴＯＳＡ２１のパッケージ背面の放熱面部２５に近接して配置され、放熱カバー１１の取付け凹部１１ｃに設けられた長孔１１ｄにガイドピン１８が挿通されている。また、放熱ブロック１６のねじ孔１６ｃには、取付け凹部１１ｃに設けられた長孔１１ｅを通って、長孔１１ｅの幅より大きい径のヘッド１７ａを有する固定部材１７の先端部分が螺合されていて、ガイドピン１８と協働して、放熱ブロック１６は、ＴＯＳＡ２１のパッケージ背面で軸方向に移動可能な状態とされる。

この状態で、治具２０の把持片２０ｂを手で掴んで、Ｌ字状のばね片２０ｃの先端をガイドピン１８に当て、Ｕ字状の係止片２０ｄを放熱カバー１１のフランジ部１３に係止させて取付ける。この治具２０の取付けにより、ばね片２０ｃがガイドピン１８を矢印ａ方向に付勢し、放熱ブロック１６の端面１６ａをパッケージ背面の放熱面部２５に熱的に結合させることができる。このパッケージ背面の放熱面部２５に放熱ブロック１６の端面１６ａに押し付けて熱結合させた状態を維持して、外部から工具Ｔを用いて固定部材１７を螺合させる。

固定部材１７を螺合させるとき、放熱ブロック１６が回動しようとするがガイドピン１８により回動が阻止され、放熱ブロック１６の端面１６ａの熱結合の状態が変動しないようにすることができる。固定部材１７のヘッド１７ａは、取付け凹部１１ｃの上面に当接して、固定部材１７の螺合により、放熱ブロック１６は矢印ｂで示す上方に引き上げ、放熱ブロック１６の上面１６ｂが放熱カバー１１の放熱接触面１１ｂに密接するようにして取付け固定される。

上述したように本発明によれば、放熱ブロック１６とこれを固定するねじ等の固定部材１７を用いるだけの簡単な構成で、ＴＯＳＡ２１のセラミックからなるパッケージ背面の放熱面部２５に密着させることができる。また、放熱ブロック１６と放熱カバー１１は、伝熱シートを介在させることなく直接接触による熱的な接合が可能となり、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…放熱ブロック、１７…固定部材、１８…ガイドピン、１９…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

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、
放熱ブロックが、前記セラミックパッケージの背面の放熱面に熱結合されていると共に、前記放熱カバーの放熱接触面にスライド可能に密接するように固定されていることを特徴とする光モジュール。
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に記載の光モジュール。
前記放熱ブロックは、前記放熱カバーに設けられた長孔に挿通されるガイドピンを有し、前記放熱カバーの外側からねじ締めにより固定可能と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。
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の組立方法であって、
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、該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し、
放熱ブロックを前記セラミックパッケージの背面の放熱面に熱結合するように付勢すると共に前記放熱カバーの放熱接触面に沿ってスライド可能に治具により保持させた後、前記放熱ブロックを前記放熱カバーの外部からねじ締めにより前記放熱カバーの放熱接触面に密接するように固定することを特徴とする光モジュールの組立方法。