JP7241854B2

JP7241854B2 - 光サブアセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置

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Publication number: JP7241854B2
Application number: JP2021206347A
Authority: JP
Inventors: 和弘小松; 道秀笹田
Original assignee: 日本ルメンタム株式会社
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP2022037163A

Description

本発明は、複数の半導体光素子を備える、光サブアセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置に関し、特に、より簡便な部品で構成される光サブアセンブリに関する。

半導体光素子を備える光サブアセンブリ（ＯＳＡ：Optical Sub-Assembly）が用いられている。特許技術１に記載の光サブアセンブリは、ボックス（BOX）型光サブアセンブリであり、半導体光素子の特性を維持するために、ボックス内を不活性ガスにより気密封止されている。

特開２０１５－９６８７８号公報

従来のボックス型光サブアセンブリは、半導体光素子や制御用集積回路がボックス型パッケージに搭載されており、半導体光素子に光学的に結合させるレセプタクル端子がボックス型パッケージの外側に融着固定されている。

図４は、従来技術に係る光サブアセンブリ２０１の構造を示す斜視図である。光サブアセンブリ２０１の構造を理解するために、筺体２１０（ケース）について中心線の断面による一部分を示している。図４に示す通り、ボックス本体である筺体２１０と、蓋であるカバー２１９とで、ボックス型のハウジングを形成する。複数の部品が搭載されるベース２１１が、筺体２１０の底に搭載される。ここでは、ベース２１１に、制御用集積回路２１２（ＩＣ）と、半導体光素子２１３と、レンズ２１４と、が搭載されている。また、外部との電気的接続のために、配線基板２１５が筺体２１０の側面を貫通するように配置されており、配線基板２１５の一部は筺体２１０の底に配置される。制御用集積回路２１２（ＩＣ）の一端（半導体光素子２１３側の端）に設けられる複数の端子（図示せず）と半導体光素子２１３に設けられる複数の端子（又は複数の電極：図示せず）とは、複数のワイヤ２１６Ａを介して、それぞれ電気的に接続される。制御用集積回路２１２（ＩＣ）の他端（配線基板２１５側の端）に設けられる複数の端子（図示せず）と配線基板２１５に設けられる複数の端子（図示せず）とは、複数のワイヤ２１６Ｂを介して、それぞれ電気的に接続される。筺体２１０の側面には、光の透過用の窓２１７が設けられており、レセプタクル端子２１８が、透過する光に対して調芯をし、その後、窓２１７の外側に融着固定されている。なお、図４に示す光サブアセンブリ２０１に備えられる筺体２１０とカバー２１９により、密閉されるボックス型のハウジングとなっており、搭載される半導体光素子２１３の信頼性を維持するために、不活性ガスにより気密封止されている。

近年、光サブアセンブリに対してさらなる低コスト化が望まれている。そのためには、光サブアセンブリの構造をより単純化し、部品の数を減らすことが望ましい。筺体２１０の底にベース２１１は搭載され、筺体２１０とベース２１１とは熱的に接続されている。
ベース２１１に搭載される制御用回路２１２や半導体光素子２１３にて発生する熱を十分に逃がす必要がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、簡便な部品で構成される光サブアセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置の提供を目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る光サブアセンブリは、半導体光素子が搭載されるとともに、前記半導体光素子が発する熱を外部へ放熱する、第１部品と、前記第１部品と互いに接して、ボックス型のハウジングとなる、第２部品と、前記半導体光素子と光学的に接合する、レセプタクル端子と、を備え、前記第２部品は、前記半導体光素子と前記レセプタクル端子との間を伝送する光を透過させるための窓構造を備え、前記レセプタクル端子は、前記窓構造の外側に、融着固定される、ことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光サブアセンブリであって、前記第１部品の材料と、前記第２部品の材料とは、異なっていてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光サブアセンブリであって、前記第１部品の材料の熱伝導率は、前記第２部品の材料の熱伝導率より、高くてもよい。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、前記第１部品には、前記半導体光素子を制御する集積回路がさらに搭載され、前記第１部品は、前記集積回路が発する熱を外部に放熱してもよい。

（５）上記（１）乃至（４）に記載の光サブアセンブリであって、前記第１部品は、前面と両側の側面を含む形状を有し、前記第１部品は、前記前面と前記両側の側面とが、前記第２部品の内壁に接着剤を介して接して固定されてもよい。

（６）上記（４）又は（５）に記載の光サブアセンブリであって、前記ボックス型のハウジングは開口部を有し、該開口部を貫いて配置されるとともに、前記集積回路に電気的に接続される、配線基板を、さらに備え、前記配線基板が、前記ボックス型のハウジングを貫通して配置することにより、前記ボックス型のハウジングは、気密封止されなくてもよい。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、前記配線基板と前記開口部との隙間が樹脂によって充填されてもよい。

（８）本発明に係る光サブアセンブリは、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光サブアセンブリ、を備えていてもよい。

（９）本発明に係る光伝送装置は、上記（８）に記載の光モジュールが搭載されていてもよい。

本発明により、簡便な部品で構成される光サブアセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置及び光モジュールの構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る光サブアセンブリの構造を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る光サブアセンブリの構成を示す模式図である。従来技術に係る光サブアセンブリの構造を示す斜視図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。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。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置１及び光モジュール２の構成を示す模式図である。光伝送装置１は、プリント回路基板１１とＩＣ１２を備えている。光伝送装置１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置１に、複数の光モジュール２が搭載されており、光モジュール２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１２などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、プリント回路基板１１を介して、該当する光モジュール２へそのデータを伝達する。

光モジュール２は、送信機能及び受信機能を有するトランシーバである。光モジュール２は、プリント回路基板２１と、光ファイバ３Ａを介して受信する光信号を電気信号に変換する光受信モジュール２３Ａと、電気信号を光信号に変換して光ファイバ３Ｂへ送信する光送信モジュール２３Ｂと、を含んでいる。プリント回路基板２１と、光受信モジュール２３Ａ及び光送信モジュール２３Ｂとは、それぞれフレキシブル基板２２Ａ，２２Ｂ（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）を介して接続されている。光受信モジュール２３Ａより電気信号がフレキシブル基板２２Ａを介してプリント回路基板２１へ伝送され、プリント回路基板２１より電気信号がフレキシブル基板２２Ｂを介して光送信モジュール２３Ｂへ伝送される。光モジュール２と光伝送装置１とは電気コネクタ５を介して接続される。光受信モジュール２３Ａや光送信モジュール２３Ｂは、プリント回路基板２１に電気的に接続され、光信号／電気信号を電気信号／光信号にそれぞれ変換する。

当該実施形態に係る伝送システムは、２個以上の光伝送装置１と２個以上の光モジュール２と、１個以上の光ファイバ３を含む。各光伝送装置１に、１個以上の光モジュール２が接続される。２個の光伝送装置１にそれぞれ接続される光モジュール２の間を、光ファイバ３が接続している。一方の光伝送装置１が生成した送信用のデータが接続される光モジュール２によって光信号に変換され、かかる光信号を光ファイバ３へ送信される。光ファイバ３上を伝送する光信号は、他方の光伝送装置１に接続される光モジュール２によって受信され、光モジュール２が光信号を電気信号へ変換し、受信用のデータとして当該他方の光伝送装置１へ伝送する。

図２は、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の構造を示す斜視図である。図４と同様に、光サブアセンブリ１０１の構造を理解するために、エンクロージャー１１９（ケース）について中心線の断面による一部分を示している。図１に示す光受信モジュール２３Ａ（又は光送信モジュール２３Ｂ）は、１又は複数の光サブアセンブリ１０１によって構成される。図４に示す光サブアセンブリ２０１と異なり、図２に示す当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、ベース１１１（第１部品）と、エンクロージャー１１９（第２部品）とで、ボックス型のハウジングを形成する。ベース１１１に、複数の部品が搭載されており、ここでは、制御用集積回路１１２（ＩＣ）と、半導体光素子１１３と、レンズ１１４と、配線基板１１５と、が搭載されている。半導体光素子１１３は、光信号及び電気信号のいずれか一方を他方に変換する光電変換する光デバイスである。当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、ＲＯＳＡ（Receiver Optical Sub-Assembly）であり、半導体光素子１１３は、ＰＤ（Photo Diode）などの受光素子である。受光素子は、光信号を電気信号に光電変換する。制御用集積回路１１２は、ここでは、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ：Transimpedance Amplifier）機能を備えたＩＣである。しかしながら、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、ＲＯＳＡに限定されることはなく、ＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-Assembly）であってもよく、このとき、半導体光素子１１３は、ＬＤ（Laser Diode）すなわち半導体レーザ素子となる。そして制御用集積回路１１２はドライバＩＣ（駆動ＩＣ）である。半導体レーザ素子は発光素子であるが、これに限定されることはなく、他の発光素子であってもよい。発光素子は、電気信号を光信号に光電変換する。また、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、ＢＯＳＡ（Bi-directional Optical Sub-Assembly）であってもよい。

ベース１１１は、制御用集積回路１１２及び半導体光素子１１３が発する熱をハウジングの外部へ放熱するヒートシンク用途のサブマウントである。そのために、ベース１１１を形成する材料は、熱伝導率が高いものが選択され、ここでは、該材料はＣｕＷ－１０（銅１０％・タングステン９０％の複合材）である。すなわち、ベース１１１は、熱伝導率が高い材料によって形成されており、熱抵抗は低い。これに対して、エンクロージャー１１９はかぶせ式のケースであり、ベース１１１とエンクロージャー１１９とが互いに接して、一部を除いて外部から密閉する。エンクロージャー１１９に放熱性は要求されておらず、ここでは、エンクロージャー１１９を形成する材料は、特殊用途用ステンレス鋼（ＳＵＳ：Special Use Stainless steel）である。すなわち、ベース１１１の材料の熱伝導率は、エンクロージャー１１９の材料の熱伝導率より、高い。よって、ベース１１１の熱抵抗は、エンクロージャー１１９の熱抵抗より低くなっている。

ベース１１１は、上面と、底面と、前面と、両側の側面（２つの側面）と、後面と、を含む板形状を有する。ベース１１１は、前面と両側の側面とが、エンクロージャー１１９の内壁に接着剤を介して接して固定される。ベース１１１とエンクロージャー１１９とが、少なくとも３面が接して接着材により十分に固定されることにより、光軸調整後の軸ずれを防止することが出来る。

エンクロージャー１１９は、その側面（外部の光ファイバとの接続側の側面）に、窓１１７（窓構造）を備える。そして、光サブアセンブリ１０１は、半導体光素子１１３と光学的に接合するレセプタクル端子１１８をさらに備える。エンクロージャー１１９に備えられる窓１１７により、半導体光素子１１３とレセプタクル端子１１８との間を伝送する光を通過させることができる。レセプタクル端子１１８は、ＳＵＳで形成されており、窓１１７の外側に、ＹＡＧ溶接などにより、融着固定される。融着固定することでエンクロージャー１１９とレセプタクル端子１１８は光軸調整後の軸ずれの発生を抑えることができる。また、レセプタクル端子１１８は、外部の光ファイバ（図示せず）と、例えばフェルールにより光学的に接続される。半導体光素子１１３が受光素子である場合、光ファイバよりレセプタクル端子１１８の内部を伝送する光（光信号）が、レセプタクル端子１１８より出射される。かかる光は、窓１１７を通過し、ボックス型のハウジングの内部を伝送し、レンズ１１４により集光され、半導体光素子１１３へ入射する。半導体光素子１１３が発光素子である場合、半導体光素子１１３より出射される光（光信号）は、レンズにより集光され、窓１１７を通過し、レセプタクル端子１１８へ入射する。かかる光は、レセプタクル端子１１８の内部を伝送し、光ファイバへ出射される。

また、ベース１１１とエンクロージャー１１９とが互いに接して形成されるボックス型のハウジングは、レセプタクル端子１１８が配置される側面とは反対側の側面に、開口部を有する。配線基板１１５が開口部を貫いて配置されており、配線基板１１５の一部はベース１１１の上面に配置される。ここで、配線基板１１５は、例えばフレキシブル基板である。配線基板１１５は、制御用集積回路１１２（ＩＣ）に電気的に接続される。制御用集積回路１１２の一端（半導体光素子１１３側の端）に設けられる複数の端子（図示せず）と半導体光素子１１３に設けられる複数の端子（又は複数の電極：図示せず）とは、複数のワイヤ１１６Ａを介して、それぞれ電気的に接続される。制御用集積回路１１２の他端（配線基板１１５側の端）に設けられる複数の端子（図示せず）と配線基板１１５に設けられる複数の端子（図示せず）とは、複数のワイヤ１１６Ｂを介して、それぞれ電気的に接続される。

当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、複数の光部品が搭載されるベース１１１と、エンクロージャー１１９とにより、ボックス型のハウジングを構成することにより、簡便な部品で光サブアセンブリを構成することができる。また、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、ベース１１１がボックス型のハウジングの一部を構成することにより、制御用集積回路１１２や半導体光素子１１３より発する熱のほとんどをベース１１１を介して、ハウジングの外部へ放熱することができ、放熱性が優れた構造となっている。対して、ハウジングは開口部を有しており、配線基板１１５と開口部との間には隙間があり、気密封止がなされておらず、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、気密性より放熱性を重視する構造となっている。特に、制御用集積回路１１２がＣＤＲ（Clock and Data Recovery）機能を有するＩＣ（ＣＤＲ－ＩＣ）である場合に、制御用集積回路１１２が発する熱量が高くなっているので、本発明は最適である。また、配線基板１１５と開口部との間が樹脂によって充填されてもよく、気密性を高めることができる。

当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の製造方法は以下の通りである。第１に、上記の部品をすべて用意する。第２に、ベース１１１に、複数の部品を搭載する。ここで、複数の部品は、制御用集積回路１１２と、半導体光素子１１３と、レンズ１１４と、配線基板１１５と、である。レンズ１１４の配置は、半導体光素子１１３を駆動させた状態で行い、最適となる位置になるようにアクティブ調芯を行って固定される。第３に、半導体光素子１１３と制御用集積回路１１２と、制御用集積回路１１２と配線基板１１５と、をそれぞれ、ワイヤ１１６Ａ，１１６Ｂを介して接続させる。第４に、複数の部品が搭載されるベース１１１と、エンクロージャー１１９と、を接着材により固定する。第５に、半導体光素子１１３が受光素子である場合は、外部の光ファイバに発光素子（何らかの光源）を接続し、発光素子を駆動させて、半導体光素子１１３が受光する感度が最大となるように（又は、十分に高い値となるように）、レセプタクル端子１１８を光軸調整し、その後、ＹＡＧ溶接により融着して固定する。半導体光素子１１３からレンズ１１４までの光軸は上述のようにベース１１１上にて固定される。ベース１１１とエンクロージャー１１９の窓１１７までの光軸は、ベース１１１とエンクロージャー１１９の接着により固定される。この時、ベース１１１とエンクロージャー１１９との接着は広い領域で行われているために、光軸固定後に軸ずれする恐れは低い。次に、窓１１７とレセプタクル端子１１８との固定は融着にて行われる。ここを接着剤で固定することも可能だが、固定面積も小さく、接着剤の経年変化などにより光軸がずれる恐れがある。そのため、経年変化が小さい融着による固定が好ましい。本実施形態では融着させるためにエンクロージャー１１９およびレセプタクル端子１１８の材料はＳＵＳとしている。ＳＵＳの代わりにベース１１１と同じ放熱性に優れるＣｕＷで形成する場合、融着することができない。逆に、ベース１１１をＳＵＳとすると放熱性が十分ではなく、本発明の課題を解決することができない。従って、本実施形態ではベース１１１には放熱性を重視してＣｕＷを用い、エンクロージャー１１８は放熱性より融着性（光軸のずれ防止）を重視してＳＵＳとしている。

なお、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、１つの半導体光素子１１３と１つのレンズ１１４とを備える（すなわち、単チャンネル）としたが、これに限定されることはない。ベース１１１に、複数の半導体光素子１１３と、それぞれ対応する複数のレンズ１１４とが搭載される、光サブアセンブリ１０１（すなわち、多チャンネル）であってもよい。例えば、光サブアセンブリ１０１が受信又は送信する電気信号のビットレートは１００Ｇｂｉｔ／ｓである。光サブアセンブリ１０１は、ＣＦＰ系規格であり、２５Ｇｂｉｔ／ｓの光を波長間隔４．５ｎｍで４波長多重化して１００Ｇｂｉｔ／ｓで伝送するＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）方式であってもよい。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の構成を示す模式図である。図３は、光サブアセンブリ１０１のベース１１１の上面を示している。当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、配線基板１１５の構成が第１の実施形態と異なっているが、それ以外については同じ構造を有している。当該実施形態に係る配線基板１１５はフレキシブル基板である。図３に示す通り、配線基板１１５は、制御用集積回路１１２との接続側の端部において、左右に分岐して、制御用集積回路１１２を囲うように、制御用集積回路１１２の両側に沿って延伸する。制御用集積回路１１２が平面視して矩形状を有する場合に、少なくとも矩形上の３辺に近接して、配線基板１１５を配置させることができる。制御用集積回路１１２と配線基板１１５とを、複数のワイヤ１１６Ｂを介して電気的に接続されるが、実施形態に係る光サブアセンブリ１０１では、制御用集積回路１１２と配線基板１１５との近接領域が増大しているので、ワイヤ１１６Ｂの数が増大する場合であっても、ワイヤ１１６Ｂの長さを短く維持して、多数のワイヤ１１６Ｂを配置することができる。特に、光サブアセンブリ１０１が複数の半導体光素子１１３を備える（多チャンネル）場合に、制御用集積回路１１２の端子の数も増大するので、当該実施形態は最適である。

以上、本発明の実施形態に係る光サブアセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置について説明した。上記実施形態では、ベース１１１は、板形状を有するとしたが、前面と両側の側面を含む形状であれば、これに限定されることはない。制御用集積回路１１２の複数の端子と半導体光素子１１３の複数の端子とを接続させる複数のワイヤ１１６Ａの長さを短くするために、ベース１１１は、制御用集積回路１１２が搭載される第１上面と、半導体光素子１１３が搭載される第２上面と、を含む階段形状を有していてもよい。ここでは、第１上面は第２上面より底面より高い位置となっている。この場合、エンクロージャー１１９の形状は、ベース１１１の形状に合わせて決定される。また、ベース１１１とエンクロージャー１１９との接続面も、ベース１１１の両側の側面すべてである必要はなく、例えば、第１上面の両側の縁から下方に延伸する部分のみであってもよい。また、制御用集積回路はＯＳＡの外部に配置して構わない。本発明は、本発明の効果を奏する光サブアセンブリに広く適用することができる。

１光伝送装置、２光モジュール、３，３Ａ，３Ｂ光ファイバ、１１，２１プリント回路基板、１２ＩＣ，２２Ａ，２２Ｂフレキシブル基板、２３Ａ光受信モジュール、２３Ｂ，光送信モジュール、１０１，２０１光サブアセンブリ、１１２，２１２制御用集積回路、１１３２１３半導体光素子、１１４，２１４レンズ、１１５，２１５配線基板、１１６Ａ，１１６Ｂ，２１６Ａ，２１６Ｂワイヤ、１１７，２１７窓、１１８，２１８レセプタクル端子、１１９エンクロージャー、２１０筺体、２１９カバー。

Claims

半導体光素子および前記半導体光素子を制御する集積回路が搭載される上面を有するとともに、前記半導体光素子および前記集積回路が発する熱を外部へ放熱する、ＣｕＷを使用して形成されている第１部品と、
前記第１部品の、前記上面とは異なる前面と互いに接して、ボックス型のハウジングとなる、第２部品と、
前記半導体光素子と光学的に接合する、レセプタクル端子と、を備え、
前記第２部品および前記レセプタクル端子は、特殊用途用ステンレス鋼（ＳＵＳ）を使用して形成されており、
前記第２部品は、前記半導体光素子と前記レセプタクル端子との間を伝送する光を透過させるための窓構造を備え、前記レセプタクル端子は、前記第２部品の側面であって前記窓構造の外側に、融着固定され、
前記第２部品の側面は、前記第１部品の前記前面の前方にある、
ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
請求項１に記載の光サブアセンブリであって、
前記ボックス型のハウジングは開口部を有し、該開口部を貫いて配置されるとともに、前記集積回路に電気的に接続される、配線基板を、さらに備え、
前記配線基板が、前記ボックス型のハウジングを貫通して配置することにより、前記ボックス型のハウジングは、気密封止されない、
ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
請求項２に記載の光サブアセンブリであって、
前記配線基板と前記開口部との隙間が樹脂によって充填される、
ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光サブアセンブリ、を備える、光モジュール。
請求項４に記載の光モジュールが搭載される、光伝送装置。