JP5071157B2

JP5071157B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP5071157B2
Application number: JP2008049060A
Authority: JP
Inventors: 正博茂木
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: US7796657B2; JP2009206384A; US20090219963A1

Description

本発明は、光モジュールに関し、特に、レーザー素子を備える光モジュールに関する。

レーザー素子は所定の波長のレーザー光を出力する。レーザー素子の温度に応じてレーザー光の波長は決定される。したがって、波長の安定化にあたってレーザー素子の温度は一定に維持されなければならない。こういった温度の維持にあたってペルチェ素子が用いられる。ペルチェ素子は放熱機構とレーザー素子との間で熱エネルギーの伝達を制御する。レーザー素子の環境温度が上昇すると、ペルチェ素子はレーザー素子から放熱機構に向かって熱エネルギーを移動させる。こうしてレーザー素子の温度上昇は回避される。反対にレーザー素子の環境温度が下降すると、ペルチェ素子は放熱機構からレーザー素子に向かって熱エネルギーを移動させる。レーザー素子の温度下降は回避される。
特開２００３−１６８８４３号公報特開２００３−１６３４８２号公報

放熱機構は常に放熱を実施する。ペルチェ素子の働きで放熱機構からレーザー素子に向かって熱エネルギーが移動する際でも、放熱機構では放熱は維持される。放熱機構からレーザー素子に向かって熱エネルギーは伝達しにくい。その結果、ペルチェ素子の電力消費量は増加してしまう。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、ペルチェ素子の効率的な利用を実現することができる光モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、レーザー素子と、熱伝導部材と、レーザー素子および熱伝導部材の間に挟まれるペルチェ素子と、放熱機構と、熱伝導部材および放熱機構の間に挟まれ、周囲温度に応じて熱抵抗を変化させる熱抵抗可変素子とを備えることを特徴とする光モジュールが提供される。

こういった光モジュールではレーザー素子は温度に応じてレーザー光の発振波長を変化させる。レーザー素子の温度制御にあたってペルチェ素子は用いられる。環境温度が上昇すると、ペルチェ素子の働きでレーザー素子は冷却される。レーザー素子の熱エネルギーは熱伝導部材に伝達される。このとき、熱抵抗可変素子は熱抵抗を低減する。その結果、熱伝導部材から放熱機構に向かって効率的に熱エネルギーは移動する。レーザー素子の冷却は促進される。少ない消費電力でペルチェ素子は十分にレーザー素子を冷却することができる。その一方で、環境温度が下降すると、ペルチェ素子の働きでレーザー素子は加熱される。熱伝導部材からレーザー素子に熱エネルギーは移動する。このとき、熱抵抗可変素子は熱抵抗を高める。その結果、熱伝導部材の温度低下は妨げられる。レーザー素子の加熱は促進される。少ない消費電力でペルチェ素子は十分にレーザー素子を加熱することができる。

熱抵抗可変素子は、一端で熱伝導部材および放熱機構の間に挟まれ他端で補助放熱機構に接触し、気密な内部空間を区画する金属製筐体と、金属製筐体の内部空間に封入され、気化に基づき金属製筐体の一端から他端に向かって熱を運搬する作動液とを備えればよい。こういった熱抵抗可変素子は一般にヒートパイプと呼ばれる。ヒートパイプは作動液の沸点に応じて熱輸送を実現する。したがって、作動液が沸点に達しなければ、ヒートパイプは高い熱抵抗を実現する。作動液が沸点を超えると、ヒートパイプは低い熱抵抗を実現する。作動液の沸点は作動液の種類や金属製筐体内の内圧に基づき調整されることができる。こうしてレーザー素子の設定温度に応じて作動液の沸点は変更されることができる。

前記放熱機構および補助放熱機構は、レーザー素子、熱伝導部材、ペルチェ素子、熱抵抗可変素子を収容する外側筐体の壁体で構成されればよい。こうして比較的に簡単な構成で放熱機構や補助放熱機構は提供されることができる。

以上のように本発明によれば、ペルチェ素子の効率的な利用を実現することができる光モジュールは提供される。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る光送受信モジュール１１を概略的に示す。光送受信モジュール１１は筐体１２を備える。筐体１２は内部に例えば直方体空間を区画する。筐体１２には１対の光ファイバー１３、１３が接続される。個々の光ファイバー１３の先端には光コネクタ１４が接続される。筐体１２の天板にはコネクタ１５が埋め込まれる。コネクタ１５は対応のコネクタ（図示されず）に結合される。コネクタ１５および対応のコネクタは電気的に接続される。

図２に示されるように、筐体１２内には光送信サブアセンブリ１６が収容される。光送信サブアセンブリ１６には一方の光ファイバー１３が接続される。光ファイバー１３は筐体１２の壁板を貫通する。光送信サブアセンブリ１６から出力される光信号は光ファイバー１３の働きで筐体１２外に供給される。光送受信モジュール１１は光信号に基づき２値情報を送信する。

光送信サブアセンブリ１６はレーザー素子１８を備える。レーザー素子１８は上下１対の電極１９ａ、１９ｂの間に挟まれる。電極１９ａ、１９ｂに電圧が印加されると、レーザー素子１８には電流が流れる。電流に基づきレーザー素子１８は励起される。レーザー光線は発光される。レーザー素子１８の前方には電界吸収型変調器（図示されず）が配置される。電界吸収型変調器はレーザー素子に一体化される。電界吸収型変調器およびレーザー素子は１モジュールを構成する。

レーザー素子１８の発光面は光ファイバー１３の先端に向き合わせられる。レーザー素子１８の発光面と光ファイバー１３との間には集光レンズ２１が配置される。レーザー素子１８から発光されるレーザー光線は集光レンズ２１で平行光に変換される。こうして平行光が光ファイバー１３に進入する。

レーザー素子１８はペルチェ素子２２に搭載される。ペルチェ素子２２は上下１対の電極２３ａ、２３ｂの間に挟まれる。例えば電極２３ａ、２３ｂ間に順方向に電流が流れると、一方の電極２３ａ側から他方の電極２３ｂに向かって熱エネルギーの移動が引き起こされる。反対に、電極２３ａ、２３ｂ間に逆方向に電流が流れると、他方の電極２３ｂ側から一方の電極２３ａに向かって熱エネルギーの移動が引き起こされる。レーザー素子１８の電極１９ｂは上側の電極２３ａに接合される。両者の間で熱伝達は効率的に実現される。

上側の電極２３ａには例えばサーミスター２４が搭載される。サーミスター２４はできる限りレーザー素子１８に近接して配置される。サーミスター２４はレーザー素子１８の周囲温度を測定する。

ペルチェ素子２２は熱伝導部材２５上に搭載される。ペルチェ素子２２の下側の電極２３ｂは熱伝導部材２５の平面に接合される。両者の間で熱伝達は効率的に実現される。熱伝導部材２５上にはサブアセンブリ筐体２６が被せられる。サブアセンブリ筐体２６の内部空間は熱伝導部材２５で密閉される。サブアセンブリ筐体２６内にレーザー素子１８およびペルチェ素子２２は気密に収容される。

サブアセンブリ筐体２６には複数本のピン端子２７ａ、２７ｂが固定される。ピン端子は例えば２列に配列される。すなわち、第１群のピン端子２７ａは水平方向に配列される。第２群のピン端子２７ｂは同様に水平方向に配列される。いずれの列でも一番手前の１つのピン端子のみが図示される。ピン端子２７ａ、２７ｂは例えばサブアセンブリ筐体２６の壁板を突き抜ける。第１群のピン端子２７ａのうち１つのピン端子２７ａはサーミスター２４の出力端子に接続される。こうしてピン端子２７ａからサーミスター２４の温度信号は取り出される。この温度信号はレーザー素子１８の周囲温度を特定する。第１群の１つのピン端子２７ａと、第２群の１つのピン端子２７ｂとはレーザー素子１８の電極１９ａ、１９ｂにそれぞれ接続される。こうして１対のピン端子２７ａ、２７ｂからレーザー素子１８に電圧は印加される。同様に、第１群の１つのピン端子２７ａと、第２群の１つのピン端子２７ｂとはペルチェ素子２２の電極２３ａ、２３ｂにそれぞれ接続される。こうして１対のピン端子２７ａ、２７ｂからペルチェ素子２２に電流は供給される。

ピン端子２７ａ、２７ｂは例えばプリント基板２８に接続される。個々のピン端子２７ａ、２７ｂはプリント基板２８上で導電配線パターンに個別にはんだ付けされる。こうして光送信サブアセンブリ１６はプリント基板２８上に実装される。プリント基板２８には例えば制御回路２９が実装される。個々のピン端子２７ａ、２７ｂは制御回路２９に接続される。光送信サブアセンブリ１６はコネクタ１５に電気的に接続される。コネクタ１５から供給される電気信号に基づき光送信サブアセンブリ１６は光信号を出力する。

熱伝導部材２５は筐体１２の底板１２ａに受け止められる。筐体１２の底板１２ａは本発明の放熱機構として機能する。図３に示されるように、熱伝導部材２５と底板１２ａとの間にはヒートパイプ３１の一端が挟み込まれる。熱伝導部材２５とヒートパイプ３１との間、および、ヒートパイプ３１と底板１２ａとの間には例えば放熱シート３２が挟み込まれる。ヒートパイプ３１の他端は筐体１２の天板１２ｂに受け止められる。筐体１２の天板１２ｂは本発明の補助放熱機構として機能する。ヒートパイプ３１と天板１２ｂとの間には放熱シート３３が挟み込まれる。こうしてヒートパイプ３１は広い接触面積で筐体１２の底板１２ａおよび天板１２ｂ並びに熱伝導部材２５に接触する。ヒートパイプ３１は一端から他端まで熱輸送を実現する。

図３に示されるように、筐体１２内には前述の光送信サブアセンブリ１６に加えて光受信サブアセンブリ３４が収容される。光受信サブアセンブリ３４には他方の光ファイバー１３が接続される。光ファイバー１３は筐体１２の壁板を貫通する。筐体１２外から供給される光信号は光ファイバー１３の働きで光受信サブアセンブリ３４に取り込まれる。光送受信モジュール１１は光信号に基づき２値情報を受信する。光受信サブアセンブリ３４はプリント基板２８上に実装される。実装にあたって前述のピン端子２７ａ、２７ｂと同様に光受信サブアセンブリ３４にはピン端子（図示されず）が固定される。ピン端子はプリント基板２８に接続される。個々のピン端子はプリント基板２８上で導電配線パターンに個別にはんだ付けされる。こうして光受信サブアセンブリ３４はコネクタ１５に電気的に接続される。光受信サブアセンブリ３４で受信される光信号に基づき光受信サブアセンブリ３４からコネクタ１５に電気信号は供給される。

ここで、ヒートパイプ３１は、一端で熱伝導部材２５および筐体１２の底板１２ａの間に挟み込まれ、他端で筐体１２の天板１２ｂに接触する金属製筐体３５を備える。金属材料には例えばステンレス鋼や銅が用いられる。金属製筐体３５は気密な内部空間を区画する。内部空間は一端から他端まで連続する。この内部空間には、図４に示されるように、作動液３６が封入される。作動液３６の沸点はレーザー素子１８の設定温度に基づき決定される。こういった設定温度に基づきレーザー光線の発振波長は設定される。作動液３６の沸点は作動液３６の種類や内部空間の内圧に基づき調整されることができる。例えばヒートパイプ３１の使用温度範囲の下限が摂氏−１０度程度に想定される場合には、作動液３６には摂氏−１０度よりも低い凝固点を有する液体が利用されればよい。こういった液体には例えばアセトンやメタノールが挙げられる。ヒートパイプ３１は作動液３６の沸点以上の温度で熱輸送を実現する。こうして作動液３６の沸点に応じてペルチェ素子２２と筐体１２との間で熱抵抗は変化する。

光送信サブアセンブリ１６の動作を説明する。コネクタ１５からプリント基板２８上の制御回路２９に電気信号が供給される。電気信号では２値に基づき情報が記述される。制御回路２９は電気信号の情報に基づきレーザー素子１８に電圧を印加する。レーザー素子１８は発光する。レーザー光は集光レンズ２１で平行光に変換される。平行光は光ファイバー１３に入力される。

レーザー光の発振波長は所定の発振波長で固定される。こういった固定にあたってレーザー素子１８の温度は管理される。いま、レーザー素子１８の設定温度が摂氏３９度に設定される場面を想定する。このとき、ヒートパイプ３１では作動液３６の沸点は摂氏３９度に設定される。サーミスター２４で摂氏３９度が検出されると、制御回路２９はペルチェ素子２２の動作を保留する。ペルチェ素子２２に対して電流の供給は停止する。そのままレーザー素子１８の温度は維持される。レーザー光の発振波長は維持される。

レーザー素子１８の環境温度が上昇すると、サーミスター２４で検出される温度は上昇する。制御回路２９はサーミスター２４から温度信号を受信する。制御回路２９は検出された温度に応じてペルチェ素子２２に向けて電流を出力する。制御回路２９は予め決められた目標温度に応じて伝流量を制御する。制御回路２９では例えば摂氏３９度の維持にあたって要求される電流量は特定される。電極２３ａ、２３ｂからペルチェ素子２２に電流は供給される。電流の供給に応じて電極２３ａ側から電極２３ｂに向かって熱エネルギーは移動する。その結果、環境温度の上昇に拘わらずレーザー素子１８の温度は維持される。レーザー光の発振波長は維持される。

このとき、ヒートパイプ３１では作動液３６の温度は沸点を超える。したがって、ヒートパイプ３１は熱輸送を実現する。作動液３６の気化に応じてヒートパイプ３１の一端では吸熱が実現される。熱伝導部材２５の熱エネルギーは作動液３６に伝達される。気化した作動液３６は金属製筐体３５内で一端から他端に移動する。ヒートパイプ３１の他端では作動液３６の熱エネルギーは筐体１２の天板１２ｂに伝達される。こうして熱エネルギーが伝達されると、作動液３６は再び液化する。液化した作動液３６は金属製筐体３５内で他端から一端に戻る。こうしてヒートパイプ３１の熱輸送と同時に、熱伝導部材２５の熱エネルギーは単純にヒートパイプ３１の金属製筐体３５から筐体１２の底板１２ａに伝達される。こうして熱伝導部材２５の熱エネルギーは筐体１２に効率的に伝達される。熱伝導部材２５から筐体１２に向かって比較的に低い熱抵抗は実現される。筐体１２の底板１２ａおよび天板１２ｂから広い放射面積で効率的に熱エネルギーは大気中に放射される。熱伝導部材２５は効率的に冷却される。その結果、ペルチェ素子２２は比較的に低い消費電力で十分にレーザー素子１８を冷却することができる。

レーザー素子１８の環境温度が下降すると、サーミスター２４で検出される温度は低下する。制御回路２９はサーミスター２４から温度信号を受信する。制御回路２９は検出された温度に応じてペルチェ素子２２に向けて前述とは逆向きに電流を出力する。電極２３ａ、２３ｂからペルチェ素子２２に電流は供給される。電流の供給に応じて電極２３ｂ側から電極２３ａに向かって熱エネルギーは移動する。その結果、環境温度の下降に拘わらずレーザー素子１８の温度は維持される。レーザー光の発振波長は維持される。

このとき、ヒートパイプ３１では作動液３６の温度は沸点には達しない。したがって、ヒートパイプ３１の熱輸送は保留される。その結果、熱伝導部材２５の熱エネルギーは単純にヒートパイプ３１の金属製筐体３５から筐体１２の底板１２ａに伝達される。熱伝導部材２５の熱エネルギーは筐体１２の天板１２ｂには伝達されない。熱伝導部材２５から筐体１２に向かって比較的に高い熱抵抗は実現される。筐体１２の底板１２ａのみから比較的に狭い放射面積で熱エネルギーは大気中に放射される。熱伝導部材２５の温度低下は阻害される。その結果、ペルチェ素子２２は熱伝導部材２５から効率的にレーザー素子１８に熱移動を実現することができる。ペルチェ素子２２は比較的に低い消費電力で十分にレーザー素子１８を加熱することができる。

一般に、ペルチェ素子２２では消費電力が制限される。消費電力はレーザー素子１８の動作保証温度内で確実に上限値を下回らなければならない。例えば図５に示されるように、要求される発振波長に応じてレーザー素子１８の設定温度が摂氏３９度に設定されると、レーザー素子１８の冷却時にレーザー素子１８の最高動作保証温度（摂氏７０度）で消費電力が上限値に達する。反対にレーザー素子１８の加熱時にはレーザー素子１８の最低動作保証温度（摂氏−１０度）では消費電力は上限値に達することはない。その一方で、レーザー素子１８の設定温度が摂氏５８度に設定されると、レーザー素子１８の加熱時にレーザー素子１８の最低動作保証温度（摂氏−１０度）で消費電力が上限値に達する。反対にレーザー素子１８の加熱時にはレーザー素子１８の最高動作保証温度（摂氏７０度）で消費電力は上限値に達することはない。このとき、レーザー素子１８の設定温度に拘わらず消費電力の温度依存プロファイルは維持される。ここでは、レーザー素子１８の設定温度に摂氏１９度の温度幅が許容されることができる。前述のヒートパイプ３１の働きでレーザー素子１８の加熱時および冷却時で熱伝導部材２５および筐体１２の間で熱抵抗が変更されることから、ペルチェ素子２２の消費電力は低減される。その結果、設定温度の温度幅は拡大することができる。

いま、従来のようにヒートパイプ３１が省略される場面を想定する。ここでは、図６に示されるように、レーザー素子１８の設定温度が摂氏３９度に設定されると、レーザー素子１８の冷却時にレーザー素子１８の最高動作保証温度（摂氏７０度）で消費電力が上限値に達する。ここでは、前述のようにレーザー素子１８の設定温度に拘わらず消費電力の温度依存プロファイルは維持されることから、レーザー素子１８の設定温度が摂氏５０度に設定されると、レーザー素子１８の加熱時にレーザー素子１８の最低動作保証温度（摂氏−１０度）で消費電力が上限値に達してしまう。レーザー素子１８の設定温度には摂氏１１度の温度幅しか許容されることができない。例えばレーザー素子１８で摂氏１度ごとに発振波長に１００［ｐｍ］の変化が生じる場合、レーザー素子１８の設定温度に摂氏８度の広がりが確保されると、レーザー光の波長は８００［ｐｍ］の範囲内で調整されることができる。

なお、前述の光送信サブアセンブリ１６ではヒートパイプに代えていわゆるヒートレーン［登録商標］が用いられてもよい。その他、光送信サブアセンブリ１６は単独で光送信モジュールに組み込まれてもよい。

本発明の一実施形態に係る光送受信モジュールの外観を概略的に示す斜視図である。光送受信モジュール内で光送信サブアセンブリの構造を概略的に示す拡大垂直断面図である。光送受信モジュールに組み込まれる光送信サブアセンブリおよび光受信サブアセンブリを概略的に示す正面垂直断面図である。ヒートパイプの構造を概略的に示す拡大垂直断面図である。本実施形態に係る光送信サブアセンブリで環境温度と消費電力との関係を示すグラフである。従来技術に係る光送信サブアセンブリで環境温度と消費電力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１光モジュール（光送受信モジュール）、１２外側筐体、１２ａ放熱機構（底板）、１２ｂ補助放熱機構（天板）、１８レーザー素子、２２ペルチェ素子、２５熱伝導部材、３１熱抵抗可変素子（ヒートパイプ）、３５金属製筐体、３６作動液。

Claims

レーザー素子と、熱伝導部材と、前記レーザー素子および前記熱伝導部材の間に挟まれるペルチェ素子と、放熱機構と、前記熱伝導部材および前記放熱機構の間に挟まれ、周囲温度が設定温度よりも上昇すると熱抵抗を低減し、周囲温度が設定温度よりも下降すると熱抵抗を高める熱抵抗可変素子とを備え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、前記熱抵抗可変素子は、一端で前記熱伝導部材および前記放熱機構の間に挟まれ他端で補助放熱機構に接触し、気密な内部空間を区画する金属製筐体と、前記金属製筐体の内部空間に封入され、前記設定温度に応じた沸点を有し、気化に基づき前記金属製筐体の一端から他端に向かって熱を運搬する作動液とを備えることを特徴とする光モジュール。
請求項２に記載の光モジュールにおいて、前記放熱機構および前記補助放熱機構は、前記レーザー素子、前記熱伝導部材、前記ペルチェ素子および前記熱抵抗可変素子を収容する外側筐体の壁体で構成されることを特徴とする光モジュール。