JP2012145617A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱ブロックと上下部カバーとの接触面積を十分に確保し、簡単且つ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を提供する。
【解決手段】光モジュール１０は、発光素子が実装されたセラミックパッケージ（パッケージ部）２２を有する光サブアセンブリ２１と、電気信号の授受を行う電子部品群が実装された回路基板１５とが、上部カバー１１及び下部カバー１２により覆われて構成される。上部カバー１１の放熱接触面に直交するパッケージ部２２の背面の放熱面部２８に放熱ブロック２６を押圧保持する保持部材２７と、パッケージ部２２の端子と回路基板１５とを電気的に接続するＦＰＣ２５とを備え、ＦＰＣ２５が放熱ブロック２６を囲むようにＵ字状に折り曲げられて配置され、放熱ブロック２６の上面が上部カバー１１の放熱接触面に熱結合されると共に、放熱ブロック２６の下面が下部カバー１２の放熱接触面に熱結合される。
【選択図】図５

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８は、従来のＴＯＳＡ（光サブアセンブリ）を示した図である。図中、１０１はＴＯＳＡを示す。ＴＯＳＡ１０１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と、回路基板への配線のための端子部１０１ｂと、光ファイバとの接続のためのスリーブ部１０１ｃとからなる。端子部１０１ｂには、フレキシブル回路基板（ＦＰＣ）１０４が接続される。パッケージ部１０１ａには発熱の大きいＴＥＣ（電子冷却器）が搭載され、この熱は放熱面Ｈから放熱されるようになっている。

図９は、図８に示すＴＯＳＡを搭載した光モジュールの放熱機構を模式的に示した図で、ＴＯＳＡ１０１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。ＴＯＳＡ１０１の端子部１０１ｂに接続されたＦＰＣ１０４は、リジットな回路基板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、放熱面Ｈと上部カバー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Ｈと上下部カバーの放熱接触面１０２ａ，１０３ａ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、信号光の送受側を前面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。このような問題に対して、種々の放熱機構が考案されており、これについて図１０〜図１２に基づいて説明する。

図１０は、セラミックパッケージを用いたＴＯＳＡを示した図である。図中、１１０はＴＯＳＡを示す。ＴＯＳＡ１１０は、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１１２に、ジョイントスリーブを介して、光ファイバと光結合を形成するためのスリーブ１１１を結合して構成される。また、パッケージ部１１２の底壁には放熱面部１１３が形成され、パッケージ部１１２の接続端子１１４にはＦＰＣ１１５が接続される。また、ＦＰＣ１１５の先端には接続端子１１６が形成され、ＦＰＣ１１５を介してパッケージ部１１２と筐体側の回路基板とが接続される。

図１１は、図１０に示すＴＯＳＡを搭載した光モジュールの放熱機構を模式的に示した図である。この例では、放熱ブロック１１７をＴＯＳＡ１１０のパッケージ背面の放熱面部１１３に熱的に接触させる。すなわち、ＴＯＳＡ１１０の軸方向に放熱ブロック１１７を配し、上部カバー１０２の放熱接触面１０２ａに平行となる放熱ブロック１１７の上面との間に放熱シート１１８を配する。この構成により、パッケージ部１１２内で発生する熱は、矢印で示すように、放熱ブロック１１７と放熱シート１１８を伝熱媒体として上部カバー１０２に伝熱され、外部に放熱することができる。

図１２は、図１０に示すＴＯＳＡを搭載した光モジュールの他の放熱機構を模式的に示した図である。この例では、放熱ブロック１１７と放熱シート１１８の代わりに、ＴＯＳＡ１１０のパッケージ部１１２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１１９を取り付けている。この放熱板１１９は、パッケージ部１１２に支持させるための支持部辺１１９ａと、パッケージ背面の放熱面部１１３に弾性的に接触する熱結合部辺１１９ｂと、上部カバー１０２の放熱接触面１０２ａに弾性的に接触する放熱部辺１１９ｃと、下部カバー１０３の内壁面に弾性的に接触する放熱部辺１１９ｄとからなる。この放熱機構によれば、パッケージ部１１２内で発生する熱は、矢印で示すように、上部カバー１０２と下部カバー１０３の両方から放熱させることができる。

上記の図１１あるいは図１２のいずれの放熱機構においても、セラミックパッケージと回路基板との接続にはＦＰＣが用いられ、このＦＰＣによりセラミックパッケージ背面の下縁部または上縁部の端子と回路基板とが接続される構成となる。例えば、図１０に示したように、セラミックパッケージ背面の下縁部の端子と回路基板を接続するようにＦＰＣを配置した場合、図１１の例では、放熱ブロックにより上部カバーへの接触が容易であるが、ＦＰＣよりも下方に位置する下部カバーへの接触はＦＰＣが邪魔になって難しいという問題がある。また、図１２の例では、下部カバーへの接触を可能としているが、ＦＰＣが邪魔にならない位置で接触させる必要があるため、寸法上の制約が大きく、十分な接触面積を確保することは難しいという問題がある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、放熱ブロックと上下部カバーとの接触面積を十分に確保し、簡単且つ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、少なくとも発光素子が実装されたセラミックパッケージを有する光サブアセンブリと、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とが、上部カバー及び下部カバーにより覆われて構成される。上部カバーの放熱接触面に直交するセラミックパッケージの背面の放熱面部に放熱ブロックを押圧保持する保持部材と、セラミックパッケージの端子と回路基板とを電気的に接続するフレキシブル回路基板とを備え、フレキシブル回路基板が放熱ブロックを囲むようにＵ字状に折り曲げられて配置され、放熱ブロックの上面が上部カバーの放熱接触面に熱結合されると共に、放熱ブロックの下面が下部カバーの放熱接触面に熱結合されている。

また、放熱ブロックの上面は、熱伝導部材を介して上部カバーの放熱接触面に熱結合されていてもよい。また、セラミックパッケージの背面に電子冷却器を搭載して、発熱素子の温度調整を行うようにする。

本発明によれば、光サブアセンブリのセラミックパッケージに放熱ブロックを熱結合させると共に、フレキシブル回路基板を、放熱ブロックを囲むようにＵ字状に配置することにより、放熱ブロックと上下部カバーとの接触面積を十分に確保できるため、簡単且つ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。

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。 本発明による光サブアセンブリの一例を示す図である。 図１の光モジュールの上部カバーを外した状態を示す図である。 図３のＴＯＳＡを斜め前方から見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。 本発明で使用される光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）の一例を説明する図である。 図６の光サブアセンブリの外観を示す図である。 従来技術を説明する図である。 従来技術を説明する図である。 セラミックパッケージを用いたＴＯＳＡを示した図である。 図１０に示すＴＯＳＡを搭載した光モジュールの放熱機構を模式的に示した図である。 図１０に示すＴＯＳＡを搭載した光モジュールの他の放熱機構を模式的に示した図である。

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、少なくとも発光素子が実装されたセラミックパッケージを有する光サブアセンブリと、電気信号の授受を行う電子部品群が実装された回路基板とを、上部カバー（放熱カバー）１１及び下部カバー１２により覆って構成される。

上部カバー１１及び下部カバー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１１には、放熱フィン１１ａを設けて放射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、本発明による光サブアセンブリの一例を示す図で、図中、２１は光サブアセンブリの一例であるＴＯＳＡを示す。ＴＯＳＡ２１は、図１の光トランシーバ１０内に収容され、複数の矩形状のセラミック枠を積層してなるセラミックパッケージに相当するパッケージ部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。また、上部カバー１１の放熱接触面に直交するパッケージ部２２の背面の放熱面部２８に放熱ブロック２６を押圧保持する保持部材２７と、パッケージ部２２の端子と回路基板とを電気的に接続するフレキシブル回路基板に相当するＦＰＣ２５とを備える。

図２に例示するように、ＦＰＣ２５は放熱ブロック２６を囲むようにＵ字状に折り曲げられて配置されている。すなわち、ＦＰＣ２５は、パッケージ部２２の側縁部から放熱面部２８と平行な方向（軸に直交する方向）に伸びて、放熱ブロック２６を囲むようにＵ字状に折り曲げられる。そしてさらに、ＦＰＣ２５の先端部は下部カバー１２に沿って折り曲げられ、ＦＰＣ２５の先端部に設けられた接続端子が下部カバー１２の回路基板に接続される。このように、ＦＰＣ２５を放熱ブロック２６の側方に通すことで、放熱ブロック２６の上面及び下面がＦＰＣ２５によって覆われることがなく、放熱ブロック２６の上下面を上下部カバー１１，１２に熱結合させることが可能となる。

図３は、図１の上部カバー１１を取り外した状態を示す図で、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ＩＣ１６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（図２）及び光信号を受信するＲＯＳＡ３１が搭載され、ＦＰＣ２５，３４を介して、回路基板１５に電気的に接続されている。

受信用の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。

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、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ＩＣ１６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のパッケージ部２２に、放熱ブロック２６を熱結合させると共に、ＦＰＣ２５を、放熱ブロック２６を囲むようにＵ字状に配置することにより、放熱ブロック２６と上下部カバー１１，１２との接触面積を十分に確保できるようにして、ＴＯＳＡ２１からの熱を上下部カバー１１，１２に伝熱させる。

図４は、図３のＴＯＳＡ２１を斜め前方から見た状態を示す図である。放熱ブロック２６の上面には、伝熱シートや放熱ゲルなどの柔軟な熱伝導部材２９が取付けられ、この熱伝導部材２９を介して上部カバー１１に熱結合される。なお、熱伝導部材２９は必須ではなく、放熱ブロック２６の上面を上部カバー１１の放熱接触面に直接接触させるようにしてもよい。保持部材２７は、パッケージ部２２に放熱ブロック２６を押圧保持するための例えば金属製の部材であり、パッケージ部２２に係合して支持させるための係合部と、パッケージ部２２の放熱面部２８に対して常に一定の加重で押し付けられるように放熱ブロック２６を保持する保持部とからなる。

図５は、上述したＴＯＳＡ２１の放熱機構の一例を説明する図で、部分断面で示してある。なお、図中の矢印は熱の流れを示す。ＴＯＳＡ２１の詳細は次の図６〜図７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、上部カバー１１の放熱接触面（内壁面）とパッケージ背面の放熱面部２８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、上部カバー１１の放熱接触面に直交するパッケージ部２２の背面の放熱面部２８に放熱ブロック２６を押圧保持する保持部材２７と、パッケージ部２２の端子と回路基板１５とを電気的に接続するＦＰＣ２５とを備える。また、前述の図２に示したように、ＦＰＣ２５は放熱ブロック２６を囲むようにＵ字状に折り曲げられて配置されている。そして、放熱ブロック２６の上面が上部カバー１１の放熱接触面に柔軟な熱伝導部材２９を介して熱結合されると共に、放熱ブロック２６の下面が下部カバー１２の放熱接触面に熱結合される。

このような放熱機構にすることにより、放熱ブロック２６と上下部カバー１１，１２との接触面積を十分に確保できるようにして、ＴＯＳＡ２１からの熱を上下部カバー１１，１２に効果的に伝熱させることができる。

放熱ブロック２６は、アルミニウムや銅、亜鉛などの金属、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。一方、柔軟な熱伝導部材２９は、例えば、エラストマのような弾性を有するシリコーンゴムに、金属やセラミック粒子等の熱伝導性の微粒子を混入して熱伝導率を高めた弾力性を有する樹脂シート状のものや、シリコン、アクリル等のペースト状の母材に、セラミックフィラー等を添加し熱伝導率を高めた部材で構成される。熱伝導部材２９は、放熱ブロック２６と上部カバー１１の放熱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からの熱を上部カバー１１に良好に伝達する。

なお、ＴＯＳＡ２１は、スリーブ２４の部分を上部カバー１１と下部カバー１２で保持固定し、軸方向位置に対する位置決めがされる。ＴＯＳＡ２１は軸方向の調心が行われるので、製品毎にパッケージ部２２の位置にバラツキがある。しかし、放熱ブロック２６はパッケージ背面を基準面として結合されるので、パッケージ部２２の軸方向の位置変動に追従し、軸方向位置に関係なく取付けることができる。

図６〜図７は、本発明で使用されるＴＯＳＡ２１の一例で、前述したように、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、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２８としている。側壁部２２ａの上部には、補助壁２２ｃを介して、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２８には、ペルチェ素子等の電子冷却器（ＴＥＣ）３０が実装され、発熱電極側が放熱面部２８に接合される。ＴＥＣ３０の吸熱電極側には、発熱部品である発光素子（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Ｘ，Ｙ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が収容されたスタブ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２８は、図７に示すように、矩形状でパッケージ部２２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２８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、前述の図２に示したように、放熱面部２８を避けるように形成された回路端子部を有するＦＰＣ２５が接続され、ＦＰＣ２５が回路基板１５（図５）に電気的に接続される。

このように本発明によれば、ＴＯＳＡ２１のパッケージ部２２に、放熱ブロック２６を熱結合させると共に、ＦＰＣ２５を、放熱ブロック２６を囲むようにＵ字状に配置することにより、放熱ブロック２６と上下部カバー１１，１２との接触面積を十分に確保することができる。このため、発熱部品の放熱を良好にした光モジュールとすることができる。

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…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…フレキシブル回路基板（ＦＰＣ）、２６…放熱ブロック、２７…保持部材、２８…放熱面部、２９…熱伝導部材、３０…電子冷却器。

Claims (3)

1. 少なくとも発光素子が実装されたセラミックパッケージを有する光サブアセンブリと、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とを、上部カバー及び下部カバーにより覆った光モジュールであって、
   前記上部カバーの放熱接触面に直交する前記セラミックパッケージの背面の放熱面部に放熱ブロックを押圧保持する保持部材と、前記セラミックパッケージの端子と前記回路基板とを電気的に接続するフレキシブル回路基板とを備え、
   前記フレキシブル回路基板が前記放熱ブロックを囲むようにＵ字状に折り曲げられて配置され、前記放熱ブロックの上面が前記上部カバーの放熱接触面に熱結合されると共に、前記放熱ブロックの下面が前記下部カバーの放熱接触面に熱結合されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記放熱ブロックの上面は、熱伝導部材を介して前記上部カバーの放熱接触面に熱結合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。
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。

Images