JP2015022129A - 光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱効率の良い光モジュールを提供すること。
【解決手段】可塑性を有する熱伝導部材である放熱シート140が、放熱シート140の下面が駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の上面の全面を覆うように、FPC112の上方に積層されて配置される。このように配置された放熱シート140が、上カバー101に下向きに形成された突起101−1よって押下されることにより変形し、放熱シート140の下面と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の少なくとも上面とが密着する。
【選択図】図2

Description

本発明は、光モジュールに関する。
近年、スーパーコンピュータ、ハイエンドサーバ等の分野では、信号の高速伝送化に対する要求が高まっている。また、IBTA EDR,100G Ethernet(Ethernet:登録商標)等の規格で検討されている次世代インターフェースでは、信号の伝送距離が数十mと長い。このため、信号の高速伝送化に対応でき、かつ、伝送距離を長くできる光通信の利用が増加している。
光通信において、電気信号と光との変換を行うために、光モジュールが用いられる。光モジュールは、例えば、ハイエンドサーバのフロントプレーンまたはバックプレーンにおいて、サーバーブレードと光ケーブルとを接続するときに用いられ、光ケーブルから入力された光を電気信号に変換してサーバーブレードへ出力する。また、光モジュールは、サーバーブレードから入力された電気信号を光に変換して光ケーブルへ出力する。
光モジュールは、その筐体内に、電気信号と光との変換を相互に行う「光電気変換器」を備える。光電気変換器は、FPC(Flexible Printed Circuits)に、発光素子と、発光素子を駆動させる駆動IC(Integrated Circuit)と、受光素子と、受光素子からの電流を電圧に変換するTIA(Trans Impedance Amplifier)とが搭載されることにより形成される。
特開2012−068539号公報
光電気変換器はその動作に伴って発熱して高温となり、特に、駆動IC及びTIAの発熱が大きい。このため、光電気変換器から放出される熱が光モジュールの筐体内に溜まってしまうと、筐体内が高温になり、その結果、発光素子及び受光素子の動作不良、FPCの変形等が発生し、光モジュールの故障に繋がることがある。
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱効率の良い光モジュールを提供することを目的とする。
開示の態様では、光モジュールは、一対となって筐体を形成する上カバー及び下カバーと、電気信号が伝送される配線パターンを有する第1の回路基板と、前記電気信号と光との変換を行う光素子が搭載された第2の回路基板と、前記第1の回路基板の下面側に設けられ、前記光素子から出力される光、または、前記光素子へと入射する光を導波させる光導波路と、可塑性を有する第1の熱伝導部材と、を備える。また、前記筐体内において、前記第1の回路基板上に、前記光導波路、前記第2の回路基板、及び、前記第1の熱伝導部材が積層され、前記上カバーに形成された第1の突起の下面と、前記第1の熱伝導部材の上面とが密着し、前記第1の熱伝導部材の下面と、前記光素子の上面とが密着する。
開示の態様によれば、放熱効率の良い光モジュールを提供することができる。
図1は、実施例1の光モジュールの全体構成を示す図(分解図)である。 図2は、実施例1の光モジュールの内部構成を示す図である。 図3は、実施例2の光モジュールの内部構成を示す図(断面図)である。 図4は、実施例3の光モジュールの内部構成を示す図(断面図)である。 図5は、実施例4の光モジュールの内部構成を示す図(断面図)である。 図6は、実施例5の光モジュールの内部構成を示す図である。 図7は、放熱シートを備えない場合の熱伝導のシミュレーション結果を示すグラフである。 図8は、放熱シートを備える場合の熱伝導のシミュレーション結果を示すグラフである。
以下に、本願の開示する光モジュールの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本願の開示する光モジュールが限定されるものではない。また、以下の実施例において、同一の構成部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
[実施例1]
<光モジュールの構成>
図1は、実施例1の光モジュールの全体構成を示す図(分解図)である。
図1に示すように、本実施例の光モジュール100は、MT(Mechanically Transferable)フェルール2と、MTフェルール2に位置決めピンを介して位置決めされるレンズ付きフェルール3とを有する。光モジュール100はさらに、レンズ付きフェルール3を接続方向S側から支持する支持部41が形成された下カバー102と、下カバー102に締結固定されてMTフェルール2をレンズ付きフェルール3に向かう方向に押圧するフェルールクリップ5とを有する。支持部41は、接続方向Sと反対方向に面する壁面である。
なお、図1において、「S」はレンズ付きフェルール3に対するMTフェルール2の接続方向を指し、「T」は平板状をなす光モジュール100の下カバー102の底から開口に向かう厚み方向を指し、「W」は接続方向Sと厚み方向Tに対して垂直な幅方向を指している。また、本実施例では、厚み方向Tの矢印を図示の便宜上、上方とし、幅方向Wの矢印は接続方向Sから見て左方を示している。但し、接続方向Sのみが方向性を有し、厚み方向Tと幅方向Wは方向性を有しない。
MTフェルール2は、ほぼ直方体状をなし、接続方向Sと反対側には幅方向W及び厚み方向Tに拡大する拡大部を有している。また、レンズ付きフェルール3も、ほぼ直方体状をなし、接続方向S側に幅方向W及び厚み方向Tに拡大する拡大部を有している。下カバー102の支持部41は、レンズ付きフェルール3の拡大部の右端面を支持する。
フェルールクリップ5は、下カバー102に締結固定される板状部51と、MTフェルール2の左端面に当接する一対の当接部52と、一対の当接部52と板状部51とを連結して当接部52をMTフェルール2側に付勢する付勢力を発生する一対のばね部53とを有する。フェルールクリップ5の材料は、例えば、可撓性を有する金属である。また、フェルールクリップ5は、下カバー102に締結固定するためのネジ部54と、ネジ部54を挿通するネジ穴55とを有する。板状部51は、ネジ穴55に対応する一対の耳部56を有する。
下カバー102は、MTフェルール2とレンズ付きフェルール3とが嵌合されて位置決めされるコの字型の切り欠き部42を有する。切り欠き部42よりも支持部41側には、レンズ付きフェルール3の拡大部を収納する収納部43が形成される。収納部43は切り欠き部42よりも幅方向Wに広く厚み方向Tに深く形成される。また、下カバー102は、上カバー101用のネジ14に対応する一対の雌ネジ部44と、フェルールクリップ5用のネジ部54に対応する一対の雌ネジ部45とを、切り欠き部42の幅方向Wの外側に位置するブロック部46に備えている。雌ネジ部44は雌ネジ部45よりも支持部41寄りに位置する。支持部41よりも接続方向S側にはフェルールブーツ8を収容する一対の収容壁47が形成される。
また、光モジュール100は、レンズ付きフェルール3から光電気変換器6に向けて引き出される光導波路130と、光導波路130を撓ませるフェルールブーツ8とを有する。フェルールブーツ8を光電気変換器6に対して光導波路130の長さより近接させて配置することで、光導波路130は撓んだ状態に維持される。
また、光モジュール100は、プリント基板111と、プリント基板111の所定部位に実装された電気コネクタ120とを有し、光電気変換器6が電気コネクタ120に接続されてプリント基板111上に配置される。プリント基板111の右端にはカードエッジコネクタ91が形成される。
また光モジュール100は、下カバー102が有する開口を閉塞する上カバー101と、光電気変換器6が発生する熱を上カバー101へ伝導して放熱する放熱シート140とを有する。
プリント基板111では、電気コネクタ120が配置される部分からカードエッジコネクタ91までの部分が、光電気変換器6が搭載される部分よりも幅方向Wに広い形態を有している。プリント基板111は下カバー102の収容壁47よりも接続方向S側に位置する基板収納部48に収納される。
MTフェルール2の接続方向Sと反対側からは光ケーブル15が引き出されており、光ケーブル15は、一対のスリーブ16と、カシメリング17とを介して、一対のケーブルブーツ18内に収納される。ケーブルブーツ18には、プルタブ/ラッチ19が装着される。
合成樹脂部材13は、プリント基板111と上カバー101との間にできる隙間を埋めるために、プリント基板111上の所定の位置に配置される。
図2は、実施例1の光モジュールの内部構成を示す図である。図2(A)は上面図、図2(B)は光伝送方向に沿った断面図である。
図2において、光モジュール100は、上カバー101と、下カバー102と、プリント基板111と、電気コネクタ120と、FPC112と、レンズシート110と、光導波路130と、放熱シート140とを有する。上カバー101及び下カバー102の材料は、切削アルミまたは亜鉛ダイキャスト等であり、上カバー101と下カバー102とが一対となって、光モジュールの筐体が形成される。また、光モジュール100は、FPC112上に、駆動IC113と、発光素子114と、TIA115と、受光素子116とを有する。
プリント基板111の右端にはカードエッジコネクタ91が形成されており、光モジュール100は、このカードエッジコネクタ91を介してサーバーブレードに接続される。また、プリント基板111の少なくとも上面において、カードエッジコネクタ91と電気コネクタ120との間には配線がパターニングされており、この配線パターンを介して電気信号が伝送される。
FPC112の少なくとも上面には配線がパターニングされており、FPC112は、プリント基板111にパターニングされた配線と、電気コネクタ120を介して電気的に接続される。FPC112の材料として、薄くて、高周波で電気信号の劣化が小さく、かつ、透明な材料(例えばポリイミド等)が用いられる。
FPC112の上面には、光素子である発光素子114及び受光素子116がフェイスダウン実装されている。発光素子114は、電気コネクタ120を介して入力される電気信号を光に変換する。受光素子116は、光導波路130を介して入射される光を電気信号に変換する。また、FPC112の上面において、発光素子114の近傍には、発光素子114を駆動させる駆動IC113が配置され、受光素子116の近傍には、受光素子116からの電流を電圧に変換するTIA115が配置されている。発光素子114及び受光素子116のフェイスダウン実装は、例えばフリップチップボンダー等の一般的な電気素子実装方法で実現可能である。また、発光素子114は、例えばVCSEL(Vertical Cavity Semiconductor Emission Laser)アレイであり、受光素子116は、例えばPD(Photo Diode)アレイである。発光素子114、受光素子116、駆動IC113及びTIA115がFPC112に搭載されることにより、電気を光に変換し、光を電気に変換する光電気変換器6が形成される。
FPC112の下面には、透明材料で構成され、かつ、一部に集光用レンズが形成されたレンズシート110が接着層を介して貼り付けられている。
レンズシート110の下面には、光を伝送する光導波路130が貼り付けられている。光導波路130は、発光素子114から出力される光、または、受光素子116へと入射する光を導波させる。光導波路130は、シート上の光導波路であり、例えばポリマー光導波路である。光導波路130には、光路を90度曲げて光を結合するためのミラー(図示せず)が形成されている。
放熱シート140は、可塑性を有する熱伝導部材である。放熱シート140の材料は、例えば、伝熱用のフィラーを含む合成樹脂である。放熱シート140は、放熱シート140の下面が駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の上面の全面を覆うように、FPC112の上方に積層されて配置される。そして、このように配置された放熱シート140が、上カバー101に下向きに形成された突起101−1よって押下されることにより変形し、放熱シート140の下面と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の少なくとも上面とが密着する。
ここで、放熱シート140の密着を確実にするために、突起101−1の平面上の位置は、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の位置と一致させるのが好ましい。また、放熱シート140の密着を確実にするために、突起101−1の下面の面積は、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の外周で囲まれる面積以上とすることが好ましい。例えば、突起101−1の下面の面積を、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の上面の全面を覆う放熱シート140の面積と等しくするか、または、その放熱シート140の面積よりやや大きくするのがよい。また、放熱シート140の密着を確実にするために、放熱シート140の変形前の当初の厚さを、突起101−1の下面とプリント基板111の上面との間の間隔より大きくするのが好ましい。例えば、突起101−1の下面とプリント基板111の上面との間の間隔が1.4mmである場合には、変形前の放熱シート140の厚さを2.0mmとするとよい。
このように、可塑性を有する放熱シート140を光電気変換器6の上方に積層し、放熱シート140を突起101−1で押下することにより、放熱シート140の下面と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の少なくとも上面とが密着するとともに、放熱シート140の上面と突起101−1の下面とが密着する。このため、光電気変換器6が発生する熱が、放熱シート140を介して上カバー101に伝わり、上カバー101の外面から光モジュール100の外部の空気中に放出される。よって、光電気変換器6が発生する熱を光モジュール100の筐体外部に効率よく放出することができる。つまり、本実施例によれば、放熱効率の良い光モジュール100を提供することができる。
また、可塑性のある部材を放熱シート140として用いることにより、上カバー101とプリント基板111との間の間隔の寸法公差を、放熱シート140の変形により吸収することができる。
ここで、突起101−1で放熱シート140を押下すると、突起101−1から放熱シート140に加わる圧力のうちの一部の圧力がプリント基板111に加わるため、この一部の圧力によりプリント基板111が撓むことがある。そこで、下カバー102には上向きに突起102−1が形成され、この突起102−1の上面がプリント基板111の下面と接触することで、突起102−1がプリント基板111を下方から支持する。突起102−1の平面上の位置は、突起101−1の平面上の位置と一致させるのが好ましい。すなわち、下カバー102において、突起102−1を突起101−1に対向する位置に形成するのが好ましい。また、プリント基板111の支持には、突起102−1の上面の面積は、突起101−1の下面の面積より小さくて足りる。
このように、放熱シート140を押下する突起101−1に対向させて、プリント基板111を下方から支持する突起102−1を下カバー102に設けることで、放熱シート140の押下によって生じるプリント基板111の撓みを防止することができる。
[実施例2]
<光モジュールの内部構成>
実施例1で説明した放熱シート140の熱抵抗率は、上カバー101の熱抵抗率より大きい。また、放熱シート140の厚さが厚くなるほど熱抵抗率がより大きくなる。よって、上カバー101への放熱効率を向上させるためには、放熱シート140の厚さをできるだけ薄くするのが好ましい。そこで、本実施例では、以下のようにして、突起101−1と光電気変換器6との間に配置される放熱シートの厚さを薄くした。
図3は、実施例2の光モジュールの内部構成を示す図(断面図)である。なお、上面図は実施例1と同一であるため省略する。
図3において、光モジュール200は、放熱シート201と、放熱シート202とを有する。放熱シート201及び放熱シート202は、可塑性を有する熱伝導部材である。放熱シート201及び放熱シート202の材料は、例えば、伝熱用のフィラーを含む合成樹脂である。放熱シート201は、実施例1の放熱シート140に相当し、放熱シート140の厚さを薄くしたものである。
放熱シート201は、実施例1と同様にして、FPC112の上方に積層されて配置される。放熱シート202は、光導波路130の下面と、プリント基板111との上面との間に積層されて配置される。放熱シート202の面積は、放熱シート201の面積と一致する。そして、このように配置された放熱シート201が、実施例1と同様に、突起101−1よって押下されることにより変形し、放熱シート201の下面と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の少なくとも上面とが密着する。同時に、放熱シート202は、突起102−1によってプリント基板111を介して下方から圧力を加えられて変形し、放熱シート202の上面が光導波路130の下面と密着し、放熱シート202の下面がプリント基板111の上面と密着する。つまり、放熱シート201の厚さを実施例1の放熱シート140の厚さより薄くしたことにより生じる、光導波路130の下面とプリント基板111の上面との間の隙間を、可塑性のある放熱シート202により埋める。
ここで、例えば、突起101−1の下面とプリント基板111の上面との間の距離が1.4mmである場合には、変形前の放熱シート201の厚さを0.5mmとし、変形前の放熱シート202の厚さを1.0mmとするとよい。
このように、本実施例では、突起101−1と光電気変換器6との間に配置される放熱シートの厚さを薄くしたため、上カバー101への放熱効率を向上させることができる。
また、本実施例では、放熱シート201の厚さを薄くしたことにより生じる、光導波路130の下面とプリント基板111の上面との間の隙間を、可塑性のある放熱シート202により埋める。これにより、放熱シート201と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116との密着性を高めることができる。また、上カバー101とプリント基板111との間の間隔の寸法公差のうち、厚さが薄い放熱シート201では吸収しきれない分を、放熱シート202の変形により吸収することができる。
また、本実施例では、放熱シート202の部材を放熱シート201の部材と同一にする。これにより、放熱効率向上のための、光モジュール200の製造コストの上昇を抑えることができる。
[実施例3]
<光モジュールの内部構成>
図4は、実施例3の光モジュールの内部構成を示す図(断面図)である。なお、上面図は実施例1と同一であるため省略する。
図4に示す光モジュール300においては、光導波路130の下面と、放熱シート202の上面との間に、金属板301が積層されて配置される。
FPC112及び光導波路130が突起101−1による押下によって撓みやすいのに対し、金属板301は撓まない。このため、FPC112及び光導波路130の下方に金属板301を設けることにより、突起101−1による押下によって放熱シート202の上面に加わる圧力を均一にすることができるので、放熱シート202の上面が傾斜してしまうことを防止できる。よって、光導波路130の下面とプリント基板111の上面との間の隙間を放熱シート202で埋めた場合に、放熱シート201と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116との密着性をより高めることができる。
[実施例4]
<光モジュールの内部構成>
図5は、実施例4の光モジュールの内部構成を示す図(断面図)である。なお、上面図は実施例1と同一であるため省略する。
図5に示す光モジュール400においては、実施例2の放熱シート202に代えて、弾性体401が、光導波路130の下面と、プリント基板111との上面との間に積層されて配置される。弾性体401は、例えば、皿ばね、ゴム等である。
このように、本実施例では、放熱シート201の厚さを薄くしたことにより生じる、光導波路130の下面とプリント基板111の上面との間の隙間を、弾性体401により埋める。これにより、放熱シート201と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116との密着性を高めることができる。また、上カバー101とプリント基板111との間の間隔の寸法公差のうち、厚さが薄い放熱シート201では吸収しきれない分を、弾性体401の弾性により吸収することができる。
[実施例5]
<光モジュールの内部構成>
発光素子114及び受光素子116の特性は温度に応じて変化するため、通常、温度に応じて発光素子114及び受光素子116の制御がなされる。光電気変換器6では、特に、駆動IC113及びTIA115の発熱が大きく、駆動IC113及びTIA115からの放熱の影響で、発光素子114及び受光素子116の温度が上昇する。発光素子114及び受光素子116は温度センサを有しないため、従来は、駆動IC113またはTIA115に内蔵された温度センサによって測定された温度、つまり、駆動IC113またはTIA115の温度を、発光素子114及び受光素子116の温度として代用していた。
これに対し、発光素子114及び受光素子116の温度を直接測定するために、駆動IC113またはTIA115に温度センサを内蔵するのではなく、発光素子114及び受光素子116の近傍に温度センサを配置することが考えられる。しかし、温度センサは、発光素子114及び受光素子116と一定の距離をおいて配置されるため、この距離が長くなるほど、温度センサによって測定される温度と、発光素子114及び受光素子116の実際の温度との差が大きくなる。つまり、測定される温度の誤差が大きくなる。
そこで、本実施例では、以下のようにして、発光素子114及び受光素子116の温度を測定するようにした。
図6は、実施例5の光モジュールの内部構成を示す図である。図6(A)は上面図、図6(B)は光伝送方向に沿った断面図である。
図6において、光モジュール500は、放熱シート501と、温度センサ550とを有する。
放熱シート501は、可塑性を有する熱伝導部材であり、放熱シート501の下面が駆動IC113、発光素子114、TIA115、受光素子116及び温度センサ550の上面の全面を覆うように、FPC112の上方に積層されて配置される。そして、このように配置された放熱シート501が、突起101−1よって押下されることにより変形し、放熱シート501の下面と、駆動IC113、発光素子114、TIA115及び受光素子116の少なくとも上面とが密着する。また、放熱シート501の下面と、温度センサ550の上面とが密着する。
温度センサ550は、プリント基板111上の所定の位置に配置される。特に、温度センサ550は、FPC112の周囲にFPC112に近接して配置されるのが好ましい。
なお、上記説明では、放熱シート501の下面と温度センサ550の上面とが密着する場合を一例として説明したが、密着面はこれらに限定されず、放熱シート501のいずれかの面と、温度センサ550のいずれかの面とが密着すればよい。
このように、本実施例では、放熱シート501を、温度センサ550と発光素子114と受光素子116とに密着するように配置したので、発光素子114及び受光素子116の温度が、空気を介してではなく、放熱シート501を介して熱伝導により温度センサ550に伝わる。よって、温度センサ550は、発光素子114及び受光素子116の温度を正確に測定することができる。
<熱伝導のシミュレーション結果>
図7は、放熱シートを備えない場合の熱伝導のシミュレーション結果を示すグラフであり、図8は、放熱シートを備える場合の熱伝導のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図7,8において、TIA115の発熱量及び受光素子116の発熱量は共に0.8Wである。
図7に示すように、光モジュール500が放熱シート501を備えない場合は、TIA115及び受光素子116の温度が高温になるとともに、受光素子116の温度と、温度センサ550で測定される温度との差が約100℃と大きくなる。
これに対し、光モジュール500が放熱シート501を備える場合は、図8に示すように、TIA115及び受光素子116の温度が図7に比べ約100℃低下する。また、TIA115の温度と受光素子116の温度との差が10℃程度であるのに対し、受光素子116の温度と、温度センサ550で測定される温度との差が3℃未満と小さくなる。つまり、放熱シート501を、温度センサ550と受光素子116とに密着するように配置することで、受光素子116の正確な温度を測定することができる。よって、温度に応じた正確な制御が可能になる。
なお、実施例1−4のいずれかの構成に温度センサを適用して放熱シートと温度センサとを密着させてもよい。
100,200,300,400,500 光モジュール
101 上カバー
101−1 突起
102 下カバー
102−1 突起
111 プリント基板
112 FPC
113 駆動IC
114 発光素子
115 TIA
116 受光素子
120 電気コネクタ
130 光導波路
140,201,202,501 放熱シート
301 金属板
401 弾性体

Claims (6)

  1. 一対となって筐体を形成する上カバー及び下カバーと、
    電気信号が伝送される配線パターンを有する第1の回路基板と、
    前記電気信号と光との変換を行う光素子が搭載された第2の回路基板と、
    前記第1の回路基板の下面側に設けられ、前記光素子から出力される光、または、前記光素子へと入射する光を導波させる光導波路と、
    可塑性を有する第1の熱伝導部材と、を備え、
    前記筐体内において、
    前記第1の回路基板上に、前記光導波路、前記第2の回路基板、及び、前記第1の熱伝導部材が積層され、
    前記上カバーに形成された第1の突起の下面と、前記第1の熱伝導部材の上面とが密着し、
    前記第1の熱伝導部材の下面と、前記光素子の上面とが密着する、
    ことを特徴とする光モジュール。
  2. 前記下カバーは、前記第1の突起に対向する位置に形成された第2の突起を有し、
    前記第2の突起は、前記第1の回路基板を下方から支持する、
    ことを特徴する請求項1に記載の光モジュール。
  3. 前記第1の回路基板と前記光導波路との間に積層された、可塑性を有する第2の熱伝導部材、をさらに備え、
    前記第1の熱伝導部材の厚さが、前記第2の熱伝導部材の厚さより薄い、
    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。
  4. 前記第2の熱伝導部材と前記光導波路との間に積層された金属板、
    をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の光モジュール。
  5. 前記第1の回路基板と前記光導波路との間に積層された弾性体、
    をさらに備え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。
  6. 前記第1の回路基板上に配置された温度センサ、をさらに備え、
    前記第1の熱伝導部材と前記温度センサとが密着する、
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の光モジュール。
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