JP2020148853A

JP2020148853A - 光モジュール

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Publication number: JP2020148853A
Application number: JP2019044907A
Authority: JP
Inventors: 作智子水関; Sachiko Mizuseki; 佐藤　秀樹; Hideki Sato; 秀樹佐藤
Original assignee: Lumentum Japan Inc
Current assignee: Lumentum Japan Inc
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: US10948670B2; JP7221091B2; US20200292768A1

Abstract

【課題】電磁波吸収体のサイズを小さくしつつ、光モジュールから放射される電磁波を低減し、効率的なＥＭＩ対策を可能とする。【解決手段】光信号の伝送に用いる光モジュール１Ａにおいて、電子部品が配置される回路基板４と、回路基板の一方の主面に配置され、光信号の周波数に応じた所定の基準値以上の周波数で動作する高周波部品１０と、回路基板の他方の主面に、平面視にて高周波部品と少なくとも一部が重畳して配置され、基準値未満の周波数で動作する低周波部品１１と、低周波部品の上面に配置された電磁波吸収体１２とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は光モジュールに関する。

光通信システムにおいて、光信号及び電気信号の一方から他方に、又は双方向に変換する光モジュールが用いられている。近年のブロードバンドネットワークの普及とともに光モジュールの高速化が図られ、光モジュール内の電気回路には高周波で動作する部分がある。ここで、高周波回路は不要電磁波を発して、いわゆるＥＭＩ（electromagnetic interference）を生じ得る。

光モジュールは１つのネットワーク機器に複数個を密に実装して使用されるため、小型化、低消費電力化、低コスト化は勿論のこと、光モジュールから放射される電磁波を低減して他の機器の動作に影響を与えないようにすることが求められる。そこで、電磁波を遮蔽するために、従来、光モジュール内に電磁波吸収体を配置することが行われている。例えば下記特許文献１には、ケースの内側に電磁波吸収体を広く取り付けた光モジュールが示されている。

特開２００８−２４９８５６号公報

しかし、大きな電磁波吸収体を使用することは、コスト増加の一因となる。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、用いる電磁波吸収体のサイズを小さくしつつ、光モジュールから放射される電磁波を低減し、効率的なＥＭＩ対策を可能とすることを目的とする。

（１）本発明に係る光モジュールは、光信号の伝送に用いる光モジュールであって、電子部品が配置される回路基板と、前記回路基板の一方の主面に配置され、前記光信号の周波数に応じた所定の基準値以上の周波数で動作する高周波部品と、前記回路基板の他方の主面に、平面視にて前記高周波部品と少なくとも一部が重畳して配置され、前記基準値未満の周波数で動作する低周波部品と、前記低周波部品の上面に配置された電磁波吸収体と、を有する。

（２）上記（１）に記載の光モジュールにおいて、前記電磁波吸収体は、前記低周波部品の前記上面のうち前記高周波部品と重畳する領域を覆って配置されている構成とすることができる。

（３）上記（１）に記載の光モジュールにおいて、前記電磁波吸収体は、前記低周波部品の前記上面の全体に配置されている構成とすることができる。

（４）上記（１）に記載の光モジュールにおいて、前記電磁波吸収体は、前記低周波部品の前記上面のうち、前記回路基板に接続される前記高周波部品の端子と重畳する領域に配置されている構成とすることができる。

（５）上記（１）〜（４）に記載の光モジュールにおいて、前記低周波部品は、マイクロプロセッサ及び電源回路の少なくともいずれかを含む集積回路とすることができる。

（６）上記（１）〜（５）に記載の光モジュールにおいて、前記高周波部品は、前記光信号から電気信号に変換する光サブアセンブリ、前記電気信号を増幅する増幅回路、前記光信号を生成する半導体光素子を駆動する駆動回路、及びクロック・データ・リカバリ回路の少なくともいずれかを含む集積回路とすることができる。

本発明によれば、用いる電磁波吸収体のサイズを小さくしつつ、放射される電磁波が低減される光モジュールが得られ、効率的なＥＭＩ対策が可能となる。

電磁波吸収体を設けない比較例に係る光モジュールの模式的な垂直断面図である。ケースの内側に電磁波吸収体を広く配置した比較例に係る光モジュールの模式的な垂直断面図である。本発明の実施形態に係る光モジュールの模式的な垂直断面図である。本発明の実施形態に係る光モジュールの模式的な平面図である。本発明の他の実施形態に係る光モジュールの模式的な平面図である。本発明の他の実施形態に係る光モジュールの模式的な平面図である。本発明の他の実施形態に係る光モジュールの模式的な平面図である。本発明の他の実施形態に係る光モジュールの模式的な平面図である。本発明の他の実施形態に係る光モジュールの模式的な平面図である。図４〜図９の実施形態に係る光モジュールにおける電磁波低減の効果を表したグラフである。図８の光モジュールにおける高周波部品及び低周波部品の部分を拡大した模式的な平面図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）である光モジュール１（１Ａ〜１Ｆ）について、図面に基づいて説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の説明では、３次元空間についてＸＹＺ座標系を用いる。当該座標系は右手系の直交座標系である。光モジュール１は例えば、細長い直方体の概略形状を有し、その長手方向をＸ軸に設定する。また、以下の説明では便宜上、Ｘ軸及びＹ軸を水平な２軸、Ｚ軸を上下方向の軸とし、Ｚ軸の正の向きを上向きとする。

図１〜図３は光モジュールの模式的な垂直断面図であり、このうち図３が実施形態に係る光モジュール１Ａである。一方、図１及び図２は比較例として示す光モジュールであり、図１の光モジュール１００は電磁波吸収体を備えていない構成であり、図２の光モジュール２００は光モジュールのケース２の内側に電磁波吸収体２０１を広く配置した構成である。

図４は実施形態に係る光モジュール１Ａの模式的な平面図であり、ケース２の図示を省略し、ケース２内に収納される部品を下側から見た様子を示している。

光モジュール１は、ケース２内に、光サブアセンブリ（Optical SubAssembly：ＯＳＡ）３、回路基板４、及びＯＳＡ３と回路基板４とを接続するフレキシブルプリント基板（Flexible Printed Circuits：ＦＰＣ）５を有する。

回路基板４はケース２内に水平に位置する。つまり、回路基板４の主面はＸＹ面に沿い、当該主面に垂直な方向がＺ軸方向となる。図４では回路基板４の主面である上側表面及び下側表面のうち下側表面が手前に現れている。

光モジュール１の長手方向の一方端（図３にて右側）は伝送装置等のホスト機器（不図示）に接続され、他方端（図３にて左側）は光ファイバ（不図示）に接続される。これに対応して、基本的にＯＳＡ３は光ファイバとの接続端に近づけて配置され、回路基板４はホスト機器との接続端に近づけて配置される。また、光モジュール１はＯＳＡ３を光ファイバに接続するためのコネクタとして例えば、光レセプタクル６を備え、また、ホスト機器との接続のためのコネクタとして例えば、回路基板４のホスト機器側の端部にカードエッジコネクタ７が設けられる。

本実施形態の光モジュール１は、送信機能及び受信機能を有するトランシーバであり、ＯＳＡ３として、送信用であるＴＯＳＡ（Transmitter Optical Subassembly）と、受信用であるＲＯＳＡ（Receiver Optical Subassembly）とを有する。ＴＯＳＡは例えば、レーザダイオードを備え、回路基板４から入力された電気信号を光信号に変換し、光ファイバへ出力する。一方、ＲＯＳＡは例えば、フォトダイオードを備え、光ファイバから入力された光信号を電気信号に変換し回路基板４へ出力する。

回路基板４はプリント基板である。本実施形態において回路基板４は例えば多層基板であり、また、両方の主面に電子部品を実装可能な両面基板である。また、本実施形態において回路基板４はリジッド基板である。しかし両面に電子部品を搭載可能であれば、リジット基板に限定はされない。

回路基板４にはＯＳＡ３と電気的に接続される回路が設けられる。具体的には、回路基板４には配線などの導体パターンが形成され、回路基板４の一方の主面である上側表面には例えば、高周波部品１０が配置され、他方の主面である下側表面には例えば、低周波部品１１が配置される。なお、ここでは、これら部品は回路基板４に搭載されたものを指し、回路基板４に形成された配線を含まない。

高周波部品１０は、光モジュール１が送受信する光信号の周波数に応じた所定の基準値以上の周波数の高周波信号で動作する電子部品であり、ＥＭＩを起こす電磁波の発生源となり得る部品である。例えば、高周波信号は、少なくとも１Ｇｂｐｓ以上の周波数を有する電気信号である。

具体的には、光モジュール１内にて電磁波の発生源となり得る回路は、ＴＯＳＡのレーザダイオード（ＬＤ）を駆動する駆動回路（レーザドライバ）、クロック・データ・リカバリ回路（Clock and Data Recovery：ＣＤＲ）、ＲＯＳＡが出力する電気信号を増幅する増幅回路、もしくは電気信号を処理するＤＳＰ（Digital Signal Processor）などである。例えば、高周波部品１０はこれら回路のうちの少なくとも一部が形成された集積回路（ＩＣ）である。なお、ＣＤＲは例えば、ＲＯＳＡから出力された電気信号をクロックとデータに分離する機能を有する。また送信用のＣＤＲでは、レーザドライバに供給する高周波信号の波形整形を行う。また、ＲＯＳＡもＥＭＩの発生源となる高周波部品に含めることができる。

低周波部品１１は、高周波部品１０における高周波信号に比べて低い周波数にて動作する電子部品である。ここで、低周波とは、高周波を定める基準値より低い周波数であり、基本的には、上述の高周波信号に対して、低周波信号は１００ＭＨｚ以下といった十分に低速な電気信号である。なお、ＤＣ信号も低周波信号に含まれる。

例えば、低周波部品１１は、マイクロプロセッサ及び電源回路の少なくともいずれかを含むＩＣである。例えば、当該ＩＣは樹脂などからなるパッケージ内に半導体チップを格納し、パッケージは回路基板４上にてＸ，Ｙ方向の寸法に比べてＺ方向の寸法が小さい薄型・板状の形をなす。なお、マイクロプロセッサは例えば、ホスト機器からＬＤのＯＮ／ＯＦＦの命令を受信してＴＯＳＡを制御したり、光モジュール１内の各部から得られる情報をホスト機器に伝えたりする処理を行う。

光モジュール１にて、低周波部品１１は回路基板４の高周波部品１０とは反対側の主面に、平面視にて高周波部品１０と少なくとも一部が重畳するように配置される。そして、低周波部品１１の上面、つまり図３において、Ｚ軸の負の向きに向いた表面に接して電磁波吸収体１２が配置される。この電磁波吸収体１２の配置において、本実施形態の光モジュール１は、図１、図２の比較例と相違する。すなわち、上述したように、図１の光モジュール１００は電磁波吸収体を備えていない。また、図２の光モジュール２００は光モジュールのケース２の内側の面に配置された電磁波吸収体２０１を有する。図２の電磁波吸収体２０１はケース２の上下の内面に配置され、また、各電磁波吸収体２０１は、回路基板４上の複数の部品が配置される領域に対向する広がりを有する。これに対して、本実施形態の光モジュール１の電磁波吸収体１２は図３、図４に示すように、回路基板４の片側のみで、かつ高周波部品１０と重なりを有する低周波部品１１の上面に限定して配置される。

図４の実施形態の光モジュール１Ａは、低周波部品１１の上面の全体に電磁波吸収体１２を配置した例を示しており、低周波部品１１にて斜線を付した領域が電磁波吸収体１２で覆われる。なお、回路基板４の低周波部品１１や高周波部品１０が搭載される面には、他の小さな電子部品（例えば抵抗やコンデンサなど）も搭載されているが、図４では図示を省略している。一方、光モジュール１において、電磁波吸収体１２は低周波部品１１の上面の一部のみに配置し得る。図５〜図９はその例を示しており、本発明の他の実施形態に係る光モジュール１Ｂ〜１Ｆの模式的な平面図である。なお、図５〜図９は、図４と同様、ケース２の図示を省略し、ケース２内に収納される部品を下側から見た様子を示しており、電磁波吸収体１２は低周波部品１１における斜線領域に配置される。

ここでは、ＸＹ面でのレイアウトに関し、高周波部品１０、低周波部品１１はそれぞれＸ軸とＹ軸に沿った辺を有したほぼ同じ大きさの正方形であり、図４〜図９において、低周波部品１１の左下の４分の１の面積が高周波部品１０の右上領域と重なる場合を例示している。しかしながら、これらの条件は一例であり、本発明はこの場合に限られず適用可能である。

図５に示す実施形態の光モジュール１Ｂでは、電磁波吸収体１２は低周波部品１１の左半分を覆うように配置されている。一方、図６に示す実施形態の光モジュール１Ｃでは、電磁波吸収体１２は低周波部品１１の右半分を覆うように配置されている。

また、図７に示す実施形態の光モジュール１Ｄでは、電磁波吸収体１２は低周波部品１１の上半分を覆うように配置されている。一方、図８に示す実施形態の光モジュール１Ｅでは、電磁波吸収体１２は低周波部品１１の下半分を覆うように配置されている。図９に示す実施形態の光モジュール１Ｆでは、電磁波吸収体１２は低周波部品１１の下側の４分の１を覆うように配置されている。

図１０は、図４〜図９の実施形態に係る光モジュール１Ａ〜１Ｆにおける電磁波低減の効果を表したグラフであり、棒グラフＡ〜Ｆがそれぞれ光モジュール１Ａ〜１Ｆに関するグラフである。なお、図１０には対比のため、図１、図２に示す比較例の光モジュール１００，２００の効果も示しており、棒グラフＥ１が光モジュール１００、棒グラフＥ２が光モジュール２００に関するグラフである。図１０の縦軸は光モジュール１００（棒グラフＥ１）と比較したＥＭＩ放射の低減量をデシベル単位で示している。

低周波部品１１の上面の全体に電磁波吸収体１２を配置した光モジュール１Ａは、図２に示す大きな電磁波吸収体２０１を配置した光モジュール２００と同程度の電磁波低減効果を得られた。

また、低周波部品１１の上面の半分の面積に電磁波吸収体１２を配置した光モジュール１Ｂ〜１Ｅにおいても光モジュール２００と同程度の電磁波低減効果が得られた。このように広く電波吸収体を配置しなくとも十分な電磁波低減効果が得られ、コスト面で有利となる。電磁波吸収体の面積が大きい方が電磁波低減効果は大きく、図３、図４の低周波部品１１の全面を覆う場合が最も大きな低減効果が得られた。しかし、より小さい面積であっても光モジュール２００と遜色ない低減効果が得られている。その中でも、電磁波吸収体１２を低周波部品１１の下半分を覆うように配置した光モジュール１Ｅにおいて最も電磁波低減効果が大きい。そこで、この状態からさらに電磁波吸収体１２の面積を小さくした光モジュール１Ｆを調べたところ、低周波部品１１上部の面積の４分の１を覆った光モジュール１Ｆも、大きな電磁波吸収体２０１を配置した光モジュール２００と同程度の十分な効果が得られた。ちなみに、光モジュール１Ｆにおける電磁波吸収体１２の面積は、光モジュール２００と比較して２６分の１になる。

一般的に、ＥＭＩ対策として電磁波吸収体は電磁波の発生源の近くに配置することが望ましいと考えられている。しかし、電磁波の発生源となり得る高周波部品１０の上には、放熱性を向上させるために放熱部品が配置され、電磁波吸収体を配置できないことがある。一方、回路基板４の高周波部品１０が配置された側をおもて面とすると、高周波部品１０が配置されない側である回路基板４の裏面側へは電磁波は放射されないと考えられていたが、おもて面側で発生した電磁波が光モジュールのケース２内にて反射されることで、回路基板４の裏面側まで回ることも起こり得る。また、近年の光モジュールの小型化により、回路基板４の実装密度の上昇につれてその内層での配線密度が上がっているため、回路基板４にグランド（ＧＮＤ）だけの層を設けにくくなっている。その結果、おもて面側で発生した電磁波が回路基板４の内層を通り抜け、裏面側まで到達することも起こり易くなっている。そのため、回路基板４の裏面側にだけ電磁波吸収体１２を配置し、ＥＭＩの低減を図ることができると推察される。

ここで、裏面側においても、平面視にてより高周波部品１０に近い位置に電磁波吸収体１２を配置することが効果的である。しかし、回路基板４の裏面にもプリント配線が形成され、また、抵抗、コイル、コンデンサなどの小さな部品が多数搭載され、高周波部品１０の近くであっても、電磁波吸収体の材料の特性によっては、回路基板４の裏面に直接、電磁波吸収体を配置したり、小部品の上に配置したりすることが容易でない場合がある。

一方、近年の光モジュールの小型化により、多くの機能は一つのＩＣ部品に集約されてきている。そのため、例えばマイクロコンピュータのような比較的大きなＩＣ部品が高周波部品１０の裏面側に配置されていることが多い。ＩＣ部品の上部は平坦で或る程度の面積があり、また、パッケージによって保護されているため、材料を問わず電磁波吸収体１２を当該部品上に配置しやすい。さらに、低周波部品１１においては、放熱もさほど要求されず、放熱部品をつけなくてもよい場合が多い。そこで、本実施形態では、平面視にて高周波部品１０と少なくとも一部が重畳して配置された低周波部品１１の上面に電磁波吸収体１２を配置することで、電磁波吸収体１２が高周波部品１０の近くに配置される。

また、高周波部品１０内が発生する電磁波は、高周波部品１０内にて一様とは限らず、他より強く発する箇所が存在し得る。その場合、電磁波吸収体１２は高周波部品１０内の強く電磁波を発生する箇所の近くに配置することが好適である。

例えば、高周波部品１０と回路基板４との電気的接続点が比較的に強い発生源となり得る。図１１はこの点に関連した実施形態を説明する模式的な平面図であり、図８に示した光モジュール１Ｅの高周波部品１０と低周波部品１１の部分を拡大して示している。図４〜図９には示されていないが、それらの実施形態では、高周波部品１０の端子は高周波部品１０のＹ軸に沿った辺に並んでおり、図１１ではその端子１５の配置が示されている。低周波部品１１は高周波部品１０の一部の端子１５と重なって配置され、光モジュール１Ｅでは電磁波吸収体１２は低周波部品１１の上面のうち端子１５と回路基板４との接続点に重なる部分を含む下半分に配置されている。例えば、接続点で発生した電磁波は回路基板４の内層を通って回路基板４の裏面側に到達し得るが、その部分を電磁波吸収体１２で覆うことで、より好適に電磁波低減を図ることが期待できる。光モジュール１Ｅが同じ面積の電磁波吸収体１２を配置した光モジュール１Ｂ〜１Ｅのうちで一番高い電磁波低減効果が得られたのはこのためであると推察される。

なお、電磁波吸収体１２の種類は、抵抗性吸収材料でも、誘電性吸収材料でも、磁性吸収材料でも構わない。また、電磁波吸収体１２は、その上面が光モジュールのケース２の内側に接触する厚みであってもよいし、上面とケース２の内側との間に隙間を有する厚みであってもよい。

上述の実施形態では高周波部品１０が１個、また電磁波吸収体１２を配置する低周波部品１１も１個である例を示したが、本発明はそれに限定されない。具体的には、電磁波源となる高周波部品１０が複数存在する場合には、回路基板４のそれぞれの裏面に位置する低周波部品１１に電磁波吸収体１２を配置することができる。また、１つの高周波部品１０に重なる複数の低周波部品１１に電磁波吸収体１２を配置してもよい。

また、ＯＳＡ３が電磁波源となる場合には、図３に示したようなＯＳＡ３と回路基板４とがＸ軸方向に一列に並ぶ配置ではなく、ＯＳＡ３を回路基板４のおもて面に重なる配置として、ＯＳＡ３と平面視で重なる位置に配置した低周波部品１１の上面に電磁波吸収体１２を設けることができる。

以上、実施形態により説明した本発明によると、大きな電磁波吸収体を用いることなく、低コストで効率的にＥＭＩ対策を行うことができる。

１，１Ａ〜１Ｆ光モジュール、２ケース、３ＯＳＡ、４回路基板、５ＦＰＣ、６光レセプタクル、７カードエッジコネクタ、１０高周波部品、１１低周波部品、１２電磁波吸収体、１５端子。

Claims

光信号の伝送に用いる光モジュールであって、
電子部品が配置される回路基板と、
前記回路基板の一方の主面に配置され、前記光信号の周波数に応じた所定の基準値以上の周波数で動作する高周波部品と、
前記回路基板の他方の主面に、平面視にて前記高周波部品と少なくとも一部が重畳して配置され、前記基準値未満の周波数で動作する低周波部品と、
前記低周波部品の上面に配置された電磁波吸収体と、
を有することを特徴とする光モジュール。
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記電磁波吸収体は、前記低周波部品の前記上面のうち前記高周波部品と重畳する領域を覆って配置されていること、を特徴とする光モジュール。
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記電磁波吸収体は、前記低周波部品の前記上面の全体に配置されていること、を特徴とする光モジュール。
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記電磁波吸収体は、前記低周波部品の前記上面のうち、前記回路基板に接続される前記高周波部品の端子と重畳する領域に配置されていること、を特徴とする光モジュール。
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の光モジュールにおいて、
前記低周波部品は、マイクロプロセッサ及び電源回路の少なくともいずれかを含む集積回路であること、を特徴とする光モジュール。
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の光モジュールにおいて、
前記高周波部品は、前記光信号から電気信号に変換する光サブアセンブリ、前記電気信号を増幅する増幅回路、前記光信号を生成する半導体光素子を駆動する駆動回路、及びクロック・データ・リカバリ回路の少なくともいずれかを含む集積回路であること、を特徴とする光モジュール。