JP4019701B2

JP4019701B2 - 冷却手段を有する光部品

Info

Publication number: JP4019701B2
Application number: JP2001371562A
Authority: JP
Inventors: 龍太高橋; 和也村上
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: JP2003172854A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光部品から発生した熱を逃がして光部品の温度上昇を抑える冷却手段を有する光部品に係り、特に、液体を閉じこめたヒートパイプを用いて冷却性能の向上を図った冷却手段を有する光部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、従来の光部品６０の一例を示す。光部品６０は、受信側であり、光素子６１、光素子６１からの信号電流を増幅するアンプＩＣ６２などが一つのパッケージ６３内に組み込まれて小型集積化された光モジュールである。光部品６０が送信側の場合には、アンプＩＣ６２の代わりに、光素子に電流を供給するドライバＩＣを使用する。光部品６０は、光部品６０を動作させるための信号処理基板６４に、はんだ６５などを用いて固定され、信号処理基板６４のリード線６６と接続されている。
【０００３】
従来の光部品６０では、光素子６１およびアンプＩＣ６２より発生した熱は、光素子６１およびアンプＩＣ６２が固定されたパッケージ６３からリード線６６を経て信号処理基板６４に逃げる構造か、あるいは、パッケージ６３に固定したヒートシンク（図示せず）により熱を逃がす構造となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、光部品は伝送速度の高速化及び、多数の加入者を限られたスペースの局内に収容する必要があるため小型化が求められている。伝送速度の高速化には光素子の近傍に、光素子に電流を供給するドライバＩＣあるいは光素子からの電流を増幅するアンプＩＣを搭載固定し、光素子−ＩＣ間の配線の長さにより影響する信号の劣化を最小に抑える必要がある。
【０００５】
また、小型化に対しては、従来の一つ一つの光素子をそれぞれひとつのパッケージに収める構造からひとつのパッケージに多数個の光素子を搭載固定する集積化光モジュールを実現する構造が検討されている。
【０００６】
小型集積化された光部品においては、熱による温度上昇により、特に、光素子として発光素子を用いた場合、発光素子（例えば、半導体レーザ）の閾値が上昇してしまうので、同じ光出力パワーを得るためには、さらなる電流の注入が必要である。
【０００７】
しかしながら、さらなる電流の注入は、半導体レーザ及びＩＣの発生熱量を増やし、さらに温度上昇を起こし、安定した光出力を得るのが困難となる。このため、従来の光部品６０のように、信号処理基板６４に逃げる構造やパッケージ６３に固定したヒートシンクにより熱を逃がす構造では、光部品６０の冷却が不十分になり、光素子自身の発熱や、ドライバＩＣあるいはアンプＩＣから発生した熱によって光素子の特性劣化が増えるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、小型集積化しても光部品を十分に冷却でき、光素子の特性劣化を抑えることができる冷却手段を有する光部品を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、光部品から発生した熱を逃がして光部品の温度上昇を抑える冷却手段を有する光部品において、上記冷却手段を、ヒートシンクと、内部に液体が閉じこめられ、ヒートシンクと光部品間を連結するヒートパイプとで構成すると共に、上記光部品は、光素子と、上記光素子に電流を供給するドライバＩＣあるいは上記光素子からの信号電流を増幅するアンプＩＣと、上記ドライバＩＣあるいは上記アンプＩＣとが搭載固定されるＩＣ用サブマウントと、上記光素子が搭載固定される光素子用サブマウントとからなり、上記ＩＣ用サブマウントは上記光素子用サブマウント上に設けられ、上記ヒートパイプの一端が上記ヒートシンク内に組み込まれると共に、上記ヒートパイプの他端が上記ＩＣ用サブマウント内に組み込まれる冷却手段を有する光部品である。
【００１０】
請求項２の発明は、上記光素子用サブマウントは、上記ＩＣ用サブマウントを固定する第１搭載固定部と、該第１搭載固定部より高く形成され上記光素子を搭載固定する第２搭載固定部とから形成される請求項１記載の冷却手段を有する光部品である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１２】
図１は、本発明の好適実施の形態である冷却手段を有する光部品の斜視図を示したものである。
【００１３】
図１に示すように、本発明に係る冷却手段を有する光部品１は、主として、小型集積化された光部品２から発生した熱を逃がして光部品２の温度上昇を抑えるものである。冷却手段３は、多数のフィン４が形成されたヒートシンク５と、内部に液体が閉じこめられ、ヒートシンク５と光部品２間を連結する断面円形状のヒートパイプ６とで構成されている。
【００１４】
ヒートシンク５には、正面５ｆ側と背面５ｂ側の中央部を貫通する貫通穴７が形成されている。ヒートパイプ６の一端は、貫通穴７に挿入されてヒートシンク５内に組み込まれている。
【００１５】
光部品２は、例えば、半導体レーザ、フォトダイオードなどの光素子８と、光素子８が上面に搭載固定されるサブマウント９とからなっている。サブマウント９の正面９ｆ側には、挿入穴１０が形成されている。ヒートパイプ６の他端は、挿入穴１０に挿入されてサブマウント９内に組み込まれている。
【００１６】
ヒートパイプ６は、高い熱伝導率を有する金属で形成されており、例えば、銅、アルミニウムなどからなっている。ヒートパイプ６内部に閉じこめられる液体としては、例えば、純水を使用している。ヒートパイプ６内部の気圧は、大気圧よりも低くしており、ヒートパイプ６内部に閉じこめた液体が低温で沸騰するようになっている。
【００１７】
図１では、ヒートパイプ６が、ヒートシンク５内とサブマウント９内の双方に組み込まれている例で描いているが、ヒートパイプ６は、ヒートシンク５とサブマウント９間のみを連結するようにしてもよい。また、直線状のヒートパイプ６ではなく、光部品２の形状や実装に応じて曲げ加工を施したヒートパイプ６としてもよい。ヒートパイプ６の一端は、ヒートシンク５に形成された貫通穴７に挿入されてヒートシンク５内に組み込まれているが、ヒートシンク５のフィン４の一部にヒートパイプ６が通る穴を開け、その穴にヒートパイプ６の一端を固定してもよい。これらは、以下に説明する他の実施の形態においても同様である。
【００１８】
本実施の形態の作用を説明する。
【００１９】
光部品２を使用すると、光素子８から熱が発生する。光素子８より発生した熱は、サブマウント９を介してヒートパイプ６の他端に伝わる。すると、ヒートパイプ６内に閉じこめた液体が蒸発して気化する。液体が蒸発する際に蒸発潜熱を吸収するので、熱は気化した液体によってヒートパイプ６の一端まで運ばれる。ここで、気化した液体は凝縮して再び液体に戻る。凝縮する際に凝縮潜熱を放出するので、熱はヒートシンク５に移動する。ヒートシンク５に移動した熱は、多数のフィン４によって放熱されるので、光素子８の温度上昇を抑えることが可能となる。ヒートパイプ６の一端で凝縮した液体は、ヒートパイプ６の内壁面を伝って再びヒートパイプ６の他端に戻る。ヒートパイプ６内に閉じこめた液体は、以上のような蒸発・凝縮サイクルを繰り返す。
【００２０】
このように、本発明に係る冷却手段を有する光部品１は、ヒートパイプ６内に閉じこめた液体の蒸発・凝縮サイクルを利用することで、図６で説明した従来の光部品６０では不十分だった冷却性能を向上させているので、小型集積化しても光部品２を十分に冷却でき、光素子８の特性劣化を抑えることができる。
【００２１】
第２の実施の形態を説明する。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【００２３】
図２に示すように、冷却手段を有する光部品２０は、受信側の例を示したものであり、光部品６０として、光素子６１、光素子６１からの信号電流を増幅するアンプＩＣ６２などがパッケージ６３内に組み込まれた光モジュールを使用し、ヒートパイプ６の他端がパッケージ６３の正面６３ｆ側に組み込まれているものである。光部品６０が送信側の場合には、アンプＩＣ６２の代わりに、光素子に電流を供給するドライバＩＣを使用する。光部品６０は、光部品６０を動作させるための信号処理板に、はんだ６５などを用いて固定され、信号処理板のリード線と接続されている。その他の構成は、図１で説明した冷却手段を有する光部品１と同じ構成である。
【００２４】
この冷却手段を有する光部品２０においても、ヒートパイプ６内に閉じこめた液体の蒸発・凝縮サイクルを利用することで、光素子６１及びアンプＩＣ６２より発生した熱を、ヒートパイプ６を用いてヒートシンク５に伝えることにより、図６で説明した従来の光部品６０では不十分だった冷却性能を向上させているので、小型集積化しても、パッケージ６３内の温度上昇を抑え、光素子６１自身が発生する熱やアンプＩＣ６２が発生する熱による光素子６１の特性劣化を抑えることが可能となる。
【００２５】
第３の実施の形態を説明する。
【００２６】
図３は、本発明の第３の実施の形態を示す斜視図である。
【００２７】
図３に示すように、冷却手段を有する光部品３０は、光部品として光素子８を使用し、ヒートパイプ３１としては、ヒートパイプ３１の一端がヒートシンク５内に組み込まれると共に、ヒートパイプ３１の他端に光素子８を直接搭載固定されているものである。ヒートパイプ３１は、他端を除いて断面円形状となっている。ヒートパイプ３１の他端は、上面に光素子８が搭載できるように板状部３２となっている。ヒートパイプ３１内には、ヒートパイプ３１の一端から他端に亘って液体が閉じこめられている。
【００２８】
冷却手段を有する光部品３０では、ヒートパイプ３１の他端に光素子８が直接搭載固定されているので、図１で説明した冷却手段を有する光部品１に比べれば、より効率よく光素子８を冷却でき、光素子８の特性劣化を抑えることができる。その他の作用効果は、冷却手段を有する光部品１と同様である。
【００２９】
第４の実施の形態を説明する。
【００３０】
図４は、本発明の第４の実施の形態を示す斜視図である。
【００３１】
図４に示すように、冷却手段を有する光部品４０は、送信側の例を示したものであり、光部品４１として、光素子８と、光素子８に電流を供給するドライバＩＣ４２とからなるものを使用し、ヒートパイプ４２としては、ヒートパイプ４２の一端がヒートシンク５内に組み込まれると共に、ヒートパイプ４２の他端に、光素子８とドライバＩＣ４２とが直接搭載固定されるものである。光素子８とドライバＩＣ４２は、リード線４３で電気的に接続されている。光部品４１が受信側の場合には、ドライバＩＣ４２の代わりに、光素子８からの信号電流を増幅するアンプＩＣを使用する。
【００３２】
ヒートパイプ４２は、他端を除いて断面円形状となっている。ヒートパイプ４２の他端は、上面に光素子８とドライバＩＣ４２が搭載できるように板状部４４となっている。ヒートパイプ４２内には、ヒートパイプ４２の一端から他端に亘って液体が閉じこめられている。
【００３３】
冷却手段を有する光部品４０では、ヒートパイプ４２の他端に光素子８とドライバＩＣ４２が直接搭載固定されているので、より効率よく光素子８とドライバＩＣ４２を冷却してこれらの温度上昇を抑えることが可能となり、光素子８とドライバＩＣ４２の特性劣化を抑えることができる。その他の作用効果は、図１で説明した冷却手段を有する光部品１と同様である。
【００３４】
第５の実施の形態を説明する。
【００３５】
図５は、本発明の第５の実施の形態を示す斜視図である。
【００３６】
図５に示すように、冷却手段を有する光部品５０は、送信側の例を示したものであり、光部品５１として、光素子８と、光素子８に電流を供給するドライバＩＣ４２と、ドライバＩＣ４２が上面に搭載固定されるＩＣ用サブマウント５２と、光素子８およびＩＣ用サブマウント５２が搭載固定される階段状の光素子用サブマウント５３とからなるものを使用し、ヒートパイプ６としては、ヒートパイプ６の一端がヒートシンク５内に組み込まれると共に、ヒートパイプ６の他端がＩＣ用サブマウント５２内に組み込まれているものである。
【００３７】
階段状の光素子用サブマウント５３は、上面にＩＣ用サブマウント５２が搭載固定される第１の搭載固定部５３ａと、第１の搭載固定部５３ａより１段高く形成され、上面に光素子８が搭載固定される第２の搭載固定部５３ｂとからなっている。
【００３８】
光素子８とドライバＩＣ４２は、リード線４３で電気的に接続されている。光部品５１が受信側の場合には、ドライバＩＣ４２の代わりに、光素子８からの信号電流を増幅するアンプＩＣを使用する。
【００３９】
冷却手段を有する光部品５０では、光素子８とドライバＩＣ４２が別々のサブマウントに搭載されており、特に、ドライバＩＣ４２より発生する熱は、ヒートパイプ５４内に閉じこめた液体の蒸発・凝縮サイクルによってヒートシンク５に移動され、ヒートシンク５で放熱される。よって、ドライバＩＣ４２より発生する熱は光素子８に伝わることがなく、光素子８の温度上昇による特性低下を抑えることが可能である。その他の作用効果は、図１で説明した冷却手段を有する光部品１と同様である。
【００４０】
このように、本発明によれば、発熱体である光素子及び光素子に電流を供給するドライバＩＣあるいは光素子からの信号電流を増幅するアンプＩＣから発生する熱による光素子の特性劣化を減らすために、パイプ内に閉じこめた液体の蒸発・凝縮サイクルを利用して熱を伝達するヒートパイプを用いて、光素子及びドライバＩＣあるいはアンプＩＣからの熱をヒートシンクに逃がすことにより冷却し、温度上昇による光素子の特性劣化を抑制することが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のごとき優れた効果を発揮する。
【００４２】
（１）小型集積化しても光部品を十分に冷却できる。
【００４３】
（２）光素子の特性劣化を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す斜視図である。
【図２】第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図３】第３の実施の形態を示す斜視図である。
【図４】第４の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】第５の実施の形態を示す斜視図である。
【図６】従来の冷却手段を有する光部品の斜視図である。
【符号の説明】
１冷却手段を有する光部品
２光部品
３冷却手段
５ヒートシンク
６ヒートパイプ

Claims

光部品から発生した熱を逃がして光部品の温度上昇を抑える冷却手段を有する光部品において、上記冷却手段を、ヒートシンクと、内部に液体が閉じこめられ、ヒートシンクと光部品間を連結するヒートパイプとで構成すると共に、上記光部品は、光素子と、上記光素子に電流を供給するドライバＩＣあるいは上記光素子からの信号電流を増幅するアンプＩＣ、上記ドライバＩＣあるいは上記アンプＩＣとが搭載固定されるＩＣ用サブマウントと、上記光素子が搭載固定される光素子用サブマウントとからなり、上記ＩＣ用サブマウントは上記光素子用サブマウント上に設けられ、上記ヒートパイプの一端が上記ヒートシンク内に組み込まれると共に、上記ヒートパイプの他端が上記ＩＣ用サブマウント内に組み込まれることを特徴とする冷却手段を有する光部品。
上記光素子用サブマウントは、上記ＩＣ用サブマウントを固定する第１搭載固定部と、該第１搭載固定部より高く形成され上記光素子を搭載固定する第２搭載固定部とから形成される請求項１記載の冷却手段を有する光部品。