JP5433835B2

JP5433835B2 - 光送受信器

Info

Publication number: JP5433835B2
Application number: JP2013004285A
Authority: JP
Inventors: 憲文小林
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: JP2013084006A

Description

本発明は、波長可変レーザモジュールを用いた光送受信器に関するものである。

従来、固定波長レーザを用いた光送受信器が知られている。この固定波長レーザを用いた光送受信器は、現在では、３００ｐｉｎ型の標準パッケージとして規格化されている。

近年、１本の光ファイバに複数の異なる波長の光信号を同時に伝搬させる波長分割多重通信（Wavelength Division Multiplex；ＷＤＭ）が一般的に用いられており、これをより高密度化した高密度波長分割多重通信（Dense Wavelength Division Multiplex；ＤＷＤＭ）も用いられるようになっている。

波長分割多重通信では、複数の波長の光信号を伝搬するため、複数の固定波長レーザが必要になる。そこで、固定波長レーザに替えて、波長選択性能を有する波長可変レーザモジュール（Integrable Tunable Laser Assembly；ＩＴＬＡ）が用いられるようになっている。

波長可変レーザモジュールは、一般に、コマンド（波長に対応するチャンネル番号）を入力すれば所望の波長の光が得られるようパッケージ化されているため、コントロール等の取り扱いが容易であり、管理コストおよび開発コストに優れるという特徴がある。

波長可変レーザモジュールを用いた光送受信器として、図５（ａ），（ｂ）に示すように、回路基板４２に波長可変レーザモジュール４３を配置し、その一側に、波長可変レーザモジュール４３からの光を変調して送信光ファイバ４４から出力する光変調器４５を搭載すると共に、その他側に、受信光ファイバ４６からの光信号を受光する受光素子４７を配置したものがある。回路基板４２および波長可変レーザモジュール４３の周囲には、これらを保護するための筐体５０が設けられている。

この光送受信器４１は、ルータやメディアコンバータなどの通信機器内に設けられる外部通信基板に搭載されるものであり、外部通信基板に嵌合するための多ピンのコネクタ４８を備える。図５（ａ）では図示していないが、波長可変レーザモジュール４３と光変調器４５とは光ファイバにより光学的に接続されている。

この光送受信器４１を用いて光信号を送信する場合、まず、外部通信基板からの電気信号を、コネクタ４８を介してＩＣ４９に入力し、このＩＣ４９で波形整形（入力データからクロックを再生し、再生したクロックを用いてデータ信号の波形を整形する）を行う。その後、波形整形した電気信号を図示しないドライバＩＣを介して光変調器４５に入力し、この光変調器４５で光信号を生成して、生成した光信号を送信光ファイバ４４に出射する。

光信号を受信する場合は、受信光ファイバ４６からの光信号を受光素子４７で受光して電気信号に変換し、その電気信号をＩＣ４９で波形整形した後、コネクタ４８を介して、外部通信基板に出力する。

特開２００４−２８７１８４号公報特開２００３−１３３６３１号公報

しかしながら、波長可変レーザモジュール４３は固定波長レーザよりも容積が大きいため、波長可変レーザモジュール４３、光変調器４５、受光素子４７を並列に配置した従来の光送受信器４１では、外部通信基板５１に搭載する際の実装面積が大きくなってしまうという問題がある（図４（ｂ）参照）。外部通信基板５１には複数の光送受信器４１が搭載されるため、その搭載密度を向上させるため、光送受信器４１の実装面積は小さい方が好ましい。

この問題を解決するために、回路基板の表裏面に光変調器、受光素子、ＩＣなどの各素子を配置することで回路基板の面積を小さくし、外部通信基板への実装面積を小さくすることが考えられる。しかし、この場合、各素子で発生する熱をいかに効率よく放熱するかが問題となる。

光送受信器は外部通信基板に搭載されるため、光送受信器内で発生する熱を放熱するための放熱フィンなどの放熱構造は、必然的に外部通信基板と反対側の筐体に設けられることとなる。そのため、回路基板の裏面（外部通信基板側）に搭載された素子では、放熱フィンなどの放熱構造と熱的な距離が長くなってしまい、発生した熱が外部に放熱されにくくなる。その結果、光送受信器が高温となり、特に熱に弱い光素子（波長可変レーザモジュールや受光素子）に悪影響を及ぼしてしまうおそれが生じる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、実装面積を小さくでき、かつ、放熱性の良好な光送受信器を提供することにある。

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、筐体内に、波長可変レーザモジュールと、光変調器、受光素子、およびコネクタを搭載した回路基板とを有し、前記コネクタからの電気信号を前記波長可変レーザモジュールと前記光変調器にて光信号に変換して送信光ファイバに出力し、受信光ファイバからの光信号を前記受光素子で電気信号に変換して前記コネクタから出力する光送受信器であって、前記回路基板の裏面に前記コネクタと前記光変調器を、表面に前記受光素子を、表裏面にその他の発熱電子部品を搭載し、他方、前記回路基板の表面側の前記筐体に放熱フィンを形成し、前記波長可変レーザモジュールを前記放熱フィンが形成された筐体の上壁に熱的に密接するように設け、かつ、前記回路基板の表面に搭載された前記受光素子と前記発熱電子部品を前記筐体の上壁に熱的に密接するように設け、前記回路基板の裏面に搭載された前記発熱電子部品を、熱伝導部材を介して前記筐体の上壁に熱的に接合した光送受信器である。

前記放熱フィンは、前記筐体の上壁に一体に形成されてもよい。

前記波長可変レーザモジュールと、前記受光素子と、前記回路基板の表面に搭載された前記発熱電子部品とのうちいずれかが放熱シートを介して前記筐体の上壁に接触してもよい。

前記受光素子と前記発熱電子部品は、前記回路基板の表裏面で重ならない位置に配置されてもよい。

前記熱伝導部材は、前記回路基板に形成されたスルーホールと、前記筐体の上壁に一体に形成された突起部からなり、該突起部を前記スルーホールを形成した位置の前記回路基板に接触させることで、前記発熱電子部品を、前記スルーホールおよび前記突起部を介して、前記筐体の上壁に熱的に接合してもよい。

前記光変調器に接続される前記送信光ファイバと前記受光素子に接続される前記受信光ファイバを、前記回路基板を挟んで平行に引き出すようにしてもよい。

本発明によれば、実装面積を小さくでき、かつ、放熱性の良好な光送受信器を提供できる。

図１（ａ）は、本発明の光送受信器の裏面からみた概略断面図であり、図１（ｂ）はその表面からみた概略断面図、図１（ｃ）はその斜視図である。図２（ａ）は、図１（ａ）の２Ａ−２Ａ線断面図であり、図２（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。図１の光送受信器の動作を説明する図である。図４（ａ）は、図１の光送受信器を外部通信基板に搭載した際の模式図であり、図４（ｂ）は、従来の光送受信器を外部通信基板に搭載した際の模式図である。図５（ａ）は、従来の光送受信器の概略断面図であり、図５（ｂ）はその斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

本発明の光送受信器は、ルータやメディアコンバータなどの通信機器内に設けられる外部通信基板に搭載されるものであり、例えば、通信機器間で数Ｇｂｐｓ以上の高速の光通信を行うための光電変換機能を有する光送受信器（光トランシーバ）である。

図１（ａ）は、本実施形態に係る光送受信器の裏面からみた概略断面図であり、図１（ｂ）はその表面からみた概略断面図、図１（ｃ）はその斜視図、図２（ａ）はその２Ａ−２Ａ線断面図、図２（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。

図１，２に示すように、光送受信器１は、波長可変レーザモジュール（ＩＴＬＡ）２と、波長可変レーザモジュール２からの光を変調して出力する光変調器３と、入力された光信号を受光する受光素子４と、外部通信基板と電気的に接続される多ピンのコネクタ５とを主に備える。本実施形態では、光変調器３としてＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム））変調器、受光素子４としてＡＰＤ（Avalanche Photodiode）を用いる。

光送受信器１は、筐体９内に、波長可変レーザモジュール２と、光変調器３、受光素子４、コネクタ５を搭載した回路基板６とを有し、コネクタ５からの電気信号を波長可変レーザモジュール２と光変調器３にて光信号に変換して送信光ファイバ７に出力し、受信光ファイバ８からの光信号を受光素子４で電気信号に変換してコネクタ５から出力するものである。

回路基板６は、長方形のベース基板６ａと、そのベース基板６ａと一体形成された細長の延長基板６ｂとからなり、Ｌ字形に形成される。

このベース基板６ａの裏面（外部通信基板側の面）Ｒにはコネクタ５が設けられる。また、延長基板６ｂの表面（外部通信基板と反対側の面）Ｆには、受光素子４が搭載され、その裏面Ｒには、光変調器３が搭載される。光変調器３に接続される送信光ファイバ７と受光素子４に接続される受信光ファイバ８は、回路基板６を挟んで平行に引き出すようにされる。

Ｌ字形の回路基板６の欠損部には、波長可変レーザモジュール２が配置され、全体として平面視で長方形状となるように構成される。すなわち、回路基板６は波長可変レーザモジュール２に沿うようにＬ字形に配置される。

波長可変レーザモジュール２と回路基板６とは、図示しないフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を介して電気的に接続される。また、図示していないが、波長可変レーザモジュール２と光変調器３とは光ファイバにより光学的に接続されている。

回路基板６および波長可変レーザモジュール２の周囲には、これらを覆うように筐体９が設けられる。筐体９としては、放熱性を向上させるため、金属など熱伝導性の高い材料からなるものを用いるとよい。回路基板６は、図示しないスペーサを介して複数箇所で筐体９に固定される。

コネクタ５は、その接続端子（図示せず）が回路基板６の長手方向（図１（ａ）では左右方向）に沿うように形成される。接続端子のうち、電気信号を入出力するためのものは、光変調器３側に形成される。

また、回路基板６の表裏面には、その他の発熱電子部品が搭載される。ここでは、発熱電子部品として、コネクタ５を介して入出力する電気信号の波形整形を行うためのＩＣ（クロック・データ・リカバリ（ＣＤＲ）用ＩＣ）１０、光変調器３を駆動するドライバＩＣ１２、および制御回路１１を搭載する場合を説明するが、これに限定されない。

ＩＣ１０とドライバＩＣ１２は、回路基板６の裏面Ｒに配置される。ＩＣ１０は、コネクタ５近傍の光変調器３側に配置され、ドライバＩＣ１２は、光変調器３の近傍に配置される。

ＩＣ１０は、コネクタ５の接続端子（電気信号を入出力するための接続端子）と電気的に接続され、図示しないスルーホール等を介して受光素子４と電気的に接続される。また、ＩＣ１０は、光変調器３を駆動するドライバＩＣ１２と電気的に接続され、ドライバＩＣ１２は光変調器３と電気的に接続される。これにより、受光素子４は、ＩＣ１０を介して、コネクタ５の接続端子と電気的に接続され、光変調器３は、ドライバＩＣ１２およびＩＣ１０を介して、コネクタ５の接続端子と電気的に接続される。

制御回路１１は、波長可変レーザモジュール２、光変調器３、受光素子４、およびドライバＩＣ１２を制御するものであり、ベース基板６ａの表面Ｆに配置される。制御回路１１は、ＭＣＵ（Micro-Controller Unit）からなる。制御回路１１は、図示しないスルーホール等を介してコネクタ５の接続端子と電気的に接続され、さらに、波長可変レーザモジュール２、光変調器３、受光素子４、およびドライバＩＣ１２と電気的に接続される。

このように、光送受信器１では、回路基板６の表面Ｆに受光素子４、制御回路１１が搭載され、その裏面Ｒに光変調器３、ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２が搭載される。受光素子４と、発熱電子部品である制御回路１１、ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２は、回路基板６の表裏面で重ならない位置に配置される。

この光送受信器１では、図３に示すように、光送受信器１を送信に用いる場合、外部通信基板からの電気信号は、コネクタ５を介してＩＣ１０（ＣＤＲ）に入力され、ＩＣ１０で波形整形される。その後、波形整形された電気信号は、ドライバＩＣ１２を介して光変調器（ＬＮ変調器）３に入力され、光変調器３で波長可変レーザモジュール２からの光を光信号に変換させて、送信光ファイバ７から出力される。

また、光送受信器１を受信に用いる場合、受信光ファイバ８から入力された光信号は、
受光素子（ＡＰＤ）４で受光されて電気信号に変換され、ＩＣ１０で波形整形された後に、コネクタ５を介して外部通信基板に出力される。

制御回路１１は、外部通信基板からの制御信号をコネクタ５を介して受信し、波長可変レーザモジュール２に波長（チャンネル番号）と出力パワーのパラメータ（コマンド）を送信する。また、制御回路１１は、外部通信基板からの制御信号に応じて、光変調器３、受光素子４、ドライバＩＣ１２を制御する。

さて、本実施形態に係る光送受信器１では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、回路基板６の表面Ｆ側の筐体９、すなわち筐体９の上壁９ａに、筐体９内で発生する熱を放熱するための放熱フィン１３が一体に形成される。

この放熱フィン１３が形成された筐体９の上壁９ａに、波長可変レーザモジュール２の上面を接触させると共に、回路基板６の表面Ｆに搭載した受光素子４、制御回路１１を接触させ、熱的に密接させる。これにより、波長可変レーザモジュール２、受光素子４、制御回路１１で発生した熱は、筐体９の上壁９ａと放熱フィン１３を介して外部に放熱されるようになる。

本実施形態では、波長可変レーザモジュール２、受光素子４、制御回路１１の高さが異なるため、波長可変レーザモジュール２よりも高さが低い受光素子４、制御回路１１の上方の筐体９の上壁９ａに、筐体９の上壁９ａから筐体９内部に（図２（ａ），（ｂ）では下方に）突出する突起部（肉厚部）９ｂを一体に形成し、この突起部９ｂを受光素子４、制御回路１１に接触させるようにした。これにより、受光素子４、制御回路１１で発生した熱は、突起部９ｂ、筐体９の上壁９ａ、放熱フィン１３を介して外部に放熱されるようになる。

本実施形態では、波長可変レーザモジュール２、受光素子４、制御回路１１を筐体９の上壁９ａ（あるいは突起部９ｂ）と直接接触させるようにしたが、放熱シートを介して接触させるようにしてもよい。また、本実施形態では、筐体９の上壁９ａに突起部９ｂを形成して、その突起部９ｂに受光素子４、制御回路１１を接触させるようにしたが、突起部９ｂに代えて、金属製のスペーサなどを介して受光素子４、制御回路１１を筐体９の上壁９ａと接触させるようにしてもよい。

また、回路基板６の裏面Ｒに搭載された発熱電子部品（ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２）は、熱伝導部材１４を介して、筐体９の上壁９ａに熱的に接合される。

熱伝導部材１４は、回路基板６に形成されたスルーホール１５と、筐体９の上壁９ａに一体に形成された突起部９ｃとからなる。スルーホール１５は、ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２を搭載した位置の回路基板６に形成される。スルーホール１５は、金属ペーストなどで埋めてしまってもよいし、めっき処理等によりスルーホール１５の内壁に金属膜を形成するようにしてもよい。

突起部９ｃは、筐体９の上壁９ａから筐体９内部に（図２（ｂ）では下方に）突出するように形成され、スルーホール１５を形成した位置の回路基板６に接触するようにされる。これにより、ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２は、スルーホール１５、突起部９ｃを介して、筐体９の上壁９ａに熱的に接合される。これにより、ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２で発生した熱は、スルーホール１５、突起部９ｃ、筐体９の上壁９ａ、放熱フィン１３を介して外部に放熱されるようになる。

本実施形態では、突起部９ｃとスルーホール１５を形成した位置の回路基板６とを直接接触させるようにしたが、放熱シートを介して接触させるようにしてもよい。また、本実施形態では、筐体９の上壁９ａに突起部９ｃを形成して、その突起部９ｃを介してＩＣ１０、ドライバＩＣ１２を筐体９の上壁９ａに熱的に接合させるようにしたが、突起部９ｃに代えて、金属製のスペーサなどを介して、ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２を筐体９の上壁９ａに熱的に接合させるようにしてもよい。

本実施形態の作用を説明する。

本実施形態に係る光送受信器１では、回路基板６をＬ字形に形成し、その回路基板６の裏面Ｒにコネクタ５と光変調器３を、表面に受光素子４を、表裏面にその他の発熱電子部品を搭載し、他方、回路基板６の表面Ｆ側の筐体９に放熱フィン１３を形成し、波長可変レーザモジュール２をＬ字形の回路基板６の欠損部に配置すると共に、その波長可変レーザモジュール２を放熱フィン１３が形成された筐体９の上壁９ａに熱的に密接するように設け、かつ、回路基板６の表面Ｆに搭載された受光素子４と発熱電子部品（制御回路１１）を筐体９の上壁９ａに熱的に密接するように設け、回路基板６の裏面Ｒに搭載された発熱電子部品（ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２）を、熱伝導部材１４を介して筐体９の上壁９ａに熱的に接合している。

光送受信器１において、最も発熱量が多いのが波長可変レーザモジュール２であり、次いで、プリアンプ素子を有する受光素子４の発熱量が多い。よって、これら発熱量の多い波長可変レーザモジュール２、受光素子４を、放熱フィン１３が形成された筐体９の上壁９ａにダイレクトに接触させる（熱的に密接させる）ことで、効果的に放熱を行うことが可能となる。

また、光素子（波長可変レーザモジュール２や受光素子４）に比べて電子素子は熱に強い（熱の影響を受けにくい）ので、ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２を回路基板６の裏面Ｒに配置し、光変調器３は、発熱しないので回路基板６の裏面Ｒに配置する。これにより、熱に弱い光素子が熱の影響を受けてしまうのを抑制しつつ、回路基板６の面積を小さくでき、光送受信器１の実装面積を小さくすることが可能となる。

回路基板６の裏面Ｒに配置したＩＣ１０、ドライバＩＣ１２で発生した熱については、回路基板６に形成したスルーホール１５と筐体９の上壁９ａに形成した突起部９ｃからなる熱伝導部材１４を介して、放熱フィン１３から外部に放出する。これにより、回路基板６の裏面Ｒに搭載した発熱電子部品（ＩＣ１０、ドライバＩＣ１２）についても、放熱フィン１３に至る熱的な距離を短くすることができ、効果的に放熱を行うことが可能となる。

さらに、回路基板６をＬ字形に形成し、その欠損部に波長可変レーザモジュール２を配置することにより、光送受信器１の実装面積をさらに小さくすることが可能となり、図５（ａ）に示す従来の光送受信器４１と比較して、実装面積を約２／３と小さくすることが可能となる。

また、光送受信器１では、受光素子４と発熱電子部品を、回路基板６の表裏面で重ならない位置に配置しているため、回路基板６の裏面Ｒに搭載した発熱電子部品を、熱的に短い距離で放熱フィン１３に接合でき、放熱性を向上できる。

さらに、光送受信器１では、回路基板６裏面Ｒのコネクタ５近傍に、入出力する電気信号の波形整形を行うＩＣ１０を配置している。ＩＣ１０を回路基板６の表面Ｆに搭載した場合、コネクタ５とＩＣ１０間で伝送する高速信号がスルーホール等のビアを通るため劣化してしまうおそれがあるが、本実施形態では、回路基板６裏面Ｒのコネクタ５近傍にＩＣ１０を搭載しているため、コネクタ５とＩＣ１０間で高速信号が劣化してしまうのを抑制できる。

また、光送受信器１では、コネクタ５を、その接続端子が回路基板６の長手方向に沿うように形成している。

図５（ａ）に示す従来の光送受信器４１では、図４（ｂ）に示すように、コネクタ４８のＩＣ４９側に電気信号を入出力する接続端子が形成されるため、光送受信器４１を搭載する外部通信基板５１に形成される配線パターン（電気信号の引き出し線）５２は、コネクタ４８を迂回するよう形成しなければならない。よって、外部通信基板５１に形成される配線パターンが長くなり、高速な電気信号が劣化してしまうという問題があった。

これに対して、本実施形態に係る光送受信器１では、コネクタ５を、その接続端子が回路基板６の長手方向に沿うように形成しているため、図４（ａ）に示すように、コネクタ５の電気信号を入出力する接続端子から、容易に電気信号を取り出すことが可能となる。具体的には、外部通信基板３１の配線パターン３２を、例えば、コネクタ５の電気信号を入出力する接続端子から左右反転したＬ字状に形成して、図示左側に電気信号を取り出すようにすればよい。

これにより、従来のように外部通信基板に形成する配線パターンをコネクタ５を迂回させて形成する必要がなくなり、配線パターンを短くすることが可能となる。よって、高速な電気信号に対して劣化が少ない光送受信器１を実現できる。

さらに、本実施形態では、回路基板６の表裏面に光変調器３と受光素子４を配置し、送信光ファイバ７と受信光ファイバ８を、回路基板６を挟んで平行に引き出すようにしているため、同一箇所から送信光ファイバ７および受信光ファイバ８を光送受信器１の外部に取り出すことができ、２本の光ファイバ７，８の取り扱いが容易となる。

本発明は、上記実施形態には限定されず、当業者にとって想到し得る本明細書に説明された基本的教示の範囲に含まれる全ての変更、および代替的構成を具体化するものとして解釈されるべきである。

１光送受信器
２波長可変レーザモジュール
３光変調器
４受光素子
５コネクタ
６回路基板
６ａベース基板
６ｂ延長基板
７送信光ファイバ
８受信光ファイバ
９筐体
９ａ上壁
９ｂ，９ｃ突起部
１０ＩＣ（クロック・データ・リカバリ用ＩＣ）
１１制御回路
１２ドライバＩＣ
１３放熱フィン
１４熱伝導部材
１５スルーホール

Claims

筐体内に、波長可変レーザモジュールと、光変調器、受光素子、およびコネクタを搭載した回路基板とを有し、前記コネクタからの電気信号を前記波長可変レーザモジュールと前記光変調器にて光信号に変換して送信光ファイバに出力し、受信光ファイバからの光信号を前記受光素子で電気信号に変換して前記コネクタから出力する光送受信器であって、
前記回路基板の裏面に前記コネクタと前記光変調器を、表面に前記受光素子を、表裏面にその他の発熱電子部品を搭載し、
他方、前記回路基板の表面側の前記筐体に放熱フィンを形成し、前記波長可変レーザモジュールを前記放熱フィンが形成された筐体の上壁に熱的に密接するように設け、かつ、前記回路基板の表面に搭載された前記受光素子と前記発熱電子部品を前記筐体の上壁に熱的に密接するように設け、前記回路基板の裏面に搭載された前記発熱電子部品を、熱伝導部材を介して前記筐体の上壁に熱的に接合したことを特徴とする光送受信器。
前記放熱フィンは、前記筐体の上壁に一体に形成された請求項１記載の光送受信器。
前記波長可変レーザモジュールと、前記受光素子と、前記回路基板の表面に搭載された前記発熱電子部品とのうちいずれかが放熱シートを介して前記筐体の上壁に接触する請求項１または２記載の光送受信器。
前記受光素子と前記発熱電子部品は、前記回路基板の表裏面で重ならない位置に配置される請求項１〜３いずれかに記載の光送受信器。
前記熱伝導部材は、前記回路基板に形成されたスルーホールと、前記筐体の上壁に一体に形成された突起部からなり、該突起部を前記スルーホールを形成した位置の前記回路基板に接触させることで、前記発熱電子部品を、前記スルーホールおよび前記突起部を介して、前記筐体の上壁に熱的に接合する請求項１〜４いずれかに記載の光送受信器。
前記光変調器に接続される前記送信光ファイバと前記受光素子に接続される前記受信光ファイバを、前記回路基板を挟んで平行に引き出すようにした請求項１〜５いずれかに記載の光送受信器。