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JP2006171398A - 光伝送モジュール - Google Patents

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欣哉 山崎
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秀貴 川内
Tenpei Inoue
天平 井上
Hiroki Katayama
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Abstract

【課題】 排熱効率が良く、熱膨張による不具合が少ない光伝送モジュールを提供する。
【解決手段】 光モジュール2の面S2を筐体6の面S6に接触させると共に、該接触面にて光モジュール2を筐体6に固定し、レセプタクル部3と基板5は筐体6に非固定とし、レセプタクル部3は少なくとも光軸C0に対して直角方向に自由度を持たせて位置を規制し、基板5は少なくとも光軸方向に自由度を持たせて位置を規制した。
【選択図】 図1

Description

本発明は、高速通信用の光伝送モジュールに係り、排熱効率が良く、熱膨張による不具合が少ない光伝送モジュールに関する。
図5に示されるように、光伝送モジュール101は、光素子(図示せず)を内蔵した光モジュール102とこの光モジュール102の片端に取り付けられて上記光素子からの光軸を通すレセプタクル部103と光モジュール102の反対端から突き出たリード104に半田付けされて上記光素子の制御回路(図示せず)を搭載した基板105とを筐体106に収容したものである。発光用の光素子を内蔵した光モジュールと受光用の光素子を内蔵した光モジュールとを並べて1つの筐体106に収容することで、光送信と光受信が可能な光トランシーバと呼ばれる光伝送モジュール101が知られている。また、光素子を収容した金属製のパッケージに光素子冷却用のペルチェ素子を収容した光モジュール102も知られている。
光モジュール102とレセプタクル部103は、あらかじめ一体化しておくことで、光伝送モジュール101の組み立て工程を簡素化することができる。また、光モジュール102のリード104と基板105とを半田付けしてから筐体106に収容することで光伝送モジュール101の組み立て工程を簡素化することができる。
光伝送モジュール101の筐体106には、通信路となる光ファイバのコネクタ(図示せず)を挿入するための窓107が形成され、この窓内でコネクタとレセプタクル部103とが突き合わされることで光ファイバと光モジュール102との光結合を図ることができる。
従来、光モジュール102、レセプタクル部103及び基板105を筐体106に取り付ける際、レセプタクル部103と基板105を筐体106に固定し、光モジュール102は筐体106に非固定かつ非接触としている。すなわち図BBに示されるように、筐体106を筐体下部材108と筐体上部材109とに2分割形成し、筐体下部材108と筐体上部材109のそれぞれにレセプタクル部保持部110となる隆起部111,112を形成し、これら隆起部111,112にレセプタクル部103のフランジ113が嵌り込む溝を形成してある。レセプタクル部103は円筒状であり、フランジ113はそのレセプタクル部103の外周から径方向外方に突き出しているので、隆起部111,112の溝をフランジ113がぴったり嵌るように形成しておくことで、レセプタクル部103は光軸方向及び光軸と直角な2方向(筐体106の上下方向と幅方向)に位置決めがなされると共に固定される。光モジュール102を筐体106に非固定とする理由は、光モジュール102及びレセプタクル部103の光軸方向の線膨張率と筐体106の線膨張率の差異によって光モジュール102あるいはレセプタクル部103に応力がかからないようにするためである。光モジュール102を筐体106に非接触とする理由は、筐体下面からコネクタ光軸C0までの高さH0に対するレセプタクル部103の光軸C1の高さH1の誤差ΔHを最小限にするよう隆起部111,112の寸法が設定されており、レセプタクル部103が堅固に保持されているので、もし、光モジュール102が筐体106に接触してしまうと、光モジュール102に歪みが加わるからである。
一方、筐体下部材108には基板105に向けて立ち上がったボス用突起114が形成され、そのボス用突起114の上面に雌ネジ115が設けられ、基板105にはその雌ネジ115の位置にネジ通し穴116が形成され、このネジ通し穴116にネジ117を通して雌ネジ115に締め込むことで、基板105が筐体106に固定される。このネジ固定の位置は、基板105のエッジ118が基板コネクタ(図示せず)に挿入されることを考慮し、エッジ118に近い位置(光モジュール102から見ると遠い位置)に設けられる。
特開2004−103743号公報
高速通信にあっては光素子からの発熱が大きいため、光モジュール102から筐体106へ効率良く熱を排出させたい。しかし、前述したレセプタクル部103を筐体106に固定し、光モジュール102は筐体106に非固定かつ非接触とする原理から、光モジュール102から筐体106への熱の流れは得られない。光モジュール102の熱は、レセプタクル部103を介し、隆起部111,112を介して筐体106へ流れる。つまり、排熱の効率が悪い。これを改善するために、光モジュール102と筐体106の間に柔軟性のある放熱シート119を挟んだものもある。放熱シート119により熱が逃がしやすくなると共に、放熱シート119に柔軟性があるために、光モジュール102に歪みを加えることなく、光モジュール102を緩く規制してやることができる。しかし、通信速度が高まると、発熱がさらに大きい光モジュール102が出現し、レセプタクル部103を迂回した放熱や放熱シート119による放熱では間に合わなくなってきている。
一方、レセプタクル部103を筐体106に固定し、基板105をエッジ118に近い位置で筐体106に固定した構造では、基板105が光軸方向へ熱膨張すると、リード104や、リード104を半田付けしている箇所の半田に応力が集中しやすい。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、排熱効率が良く、熱膨張による不具合が少ない光伝送モジュールを提供することにある。
上記目的を達成するために第一の発明は、光素子と上記光素子からの光信号を他のデバイスに伝送する際の接続部となるレセプタクル部とを有する光モジュールと上記光モジュールの反対端から突き出た電気接続部に電気的に接続されると共に上記光素子の制御回路を搭載した基板とを筐体に収容した光伝送モジュールにおいて、上記光モジュールの所定の面を上記筐体の所定の面に接触させると共に、該接触面にて上記光モジュールを上記筐体に固定部材により固定し、上記レセプタクル部と上記基板は上記筐体に非固定とし、上記レセプタクル部は少なくとも上記光素子から出射される光の光軸に対して直角方向に自由度を持たせて位置を規制し、上記基板は少なくとも上記光軸方向に自由度を持たせて位置を規制したものである。
上記光モジュールに上記光素子を冷却する冷却素子を内蔵し、この冷却素子の放熱側となる上記光モジュールの外面を上記筐体に接触させてもよい。
上記レセプタクル部を挟んで保持するレセプタクル部押さえ部材を上記筐体に収容し、このレセプタクル部押さえ部材が上記筐体の上記光軸に平行な面に対して隙間を有するようにしてもよい。
上記基板に位置規制用の穴を形成し、上記筐体の上記光軸に平行な面には、上記基板の穴より径が小さく、該穴内に届くまで伸びた位置規制用の突起を形成してもよい。
また、第二の発明は、光素子と上記光素子からの光信号を他のデバイスに伝送する際の接続部となるレセプタクル部とを有する光モジュールと上記光モジュールの反対端から突き出た電気接続部に電気的に接続されると共に上記光素子の制御回路を搭載した基板とを筐体に収容した光伝送モジュールにおいて、上記光モジュールを上記筐体の所定の面を上記筐体の所定の面に接触させると共に、該接触面にて上記光モジュールを上記筐体に固定し、上記レセプタクル部は上記筐体に非固定であって、少なくとも上記光軸に対して直角方向に自由度を持たせて位置を規制し、上記基板は上記光モジュールを上記筐体に固定した箇所から上記光軸方向に所定の距離の箇所にて上記筐体に固定し、その距離は上記基板が上記光軸方向へ熱膨張しても上記電気的に接続した箇所に発生する熱応力が剪断降伏応力未満となるように定めたものである。
上記基板と上記光モジュールとの電気的な接続には、フレキシブルリードを用いてもよい。
上記基板は、上記光モジュールの電気接続部に電気的に接続される部分と他の部分とに分割形成され、これら両部分がフレキシブル基板で相互に電気的に接続されてもよい。
上記基板は、リジッド層とフレキシブル層とを複合してなるリジッドフレキ基板であり、少なくとも一部がフレキシブル層のみで形成されてもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
(1)光モジュールを筐体に面で接触させたので、排熱効率が良い。
(2)レセプタクル部と基板は筐体に非固定としたので、熱膨張による不具合が少ない(第一の発明)。
(3)電気的に接続した箇所に剪断降伏応力が加わらない距離の箇所にて基板を筐体に固定したので、熱膨張による不具合が少ない(第二の発明)。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1及び図2に示されるように、本発明に係る光伝送モジュール1は、光素子(図3参照)を内蔵した光モジュール2とこの光モジュール2の片端に取り付けられて結合され、上記光素子からの光信号を他のデバイスに伝送する際の接続部となるレセプタクル部3と光モジュール2の反対端から突き出た電気接続部としてのリード4に半田付けなどにより電気的に接続されると共に上記光素子の制御回路を搭載した基板5とを筐体6に収容した光伝送モジュール1において、光モジュール2の所定の面S2(底面)を筐体6の所定の面、例えば光軸C1に平行な面S6(筐体底面の内側)に直接、面で接触させると共に、その接触面S6(S2)にて光モジュール2を筐体6に固定し、レセプタクル部3と基板5は筐体6に非固定とし、レセプタクル部3は少なくとも上記光素子から出射される光の光軸(コネクタ光軸C0及び光モジュール光軸C1)に対して直角方向(ここでは上下方向)に自由度を持たせて位置を規制し、基板5は少なくとも光軸方向(光が進む方向)に自由度を持たせて位置を規制したものである。
光モジュール2を筐体6に固定する具体的な手段として、ここではネジ止めが使用されている。つまり、光モジュール2の面S2に雌ネジ穴7を形成し、筐体6の面S6に貫通穴8を形成し、筐体6の外からネジ9を差し込んで締め付けると、光モジュール2は筐体6に直接、かつ面で接して固定される。
レセプタクル部3の位置を光軸C0,C1に対して直角方向(ここでは上下方向)に自由度を持たせて規制する手段として、ここではレセプタクル部押さえ部材10が使用されている。レセプタクル部押さえ部材10は、レセプタクル部3のフランジ11が嵌り込む溝を形成した上下2片の部材12,13でレセプタクル部3を挟んで保持するものである。レセプタクル部押さえ部材10は、筐体6に収容したとき、光軸方向と幅方向には筐体6の図示しない突起によりタイトに規制してもよいが、光モジュール2の高さ方向である上下方向には自由度を有する。具体的には、レセプタクル部押さえ部材10と筐体6の面S6との間に隙間を有する。この隙間に、柔軟性のある放熱シート14を挟んである。放熱シート14の柔軟性により、レセプタクル部3の位置は上下方向に若干の自由度を持たせて規制することができる。
基板5の位置を光軸方向に自由度を持たせて位置を規制する手段として、ここでは基板5に位置規制用の穴15を形成し、筐体6の面S6には、基板5の穴15より径が小さく、穴15内に届くまで伸びた位置規制用の突起16を形成してある。突起16は、筐体6の面S6より立ち上げたリブ17の上面に設けてある。リブ17の上面は基板5の穴15より径が大きく、従って基板5をリブ17の上面に載置することで、基板5の位置が下方向へ動くことを規制している。また、筐体6の上面から立ち下げたリブ18の下面が基板5に対して僅かの隙間で臨んでいるので、基板5の位置が上方向へ大きく動くことを規制している。そして、基板5の穴15より突起16の径が小さいことで、基板5の位置は光軸方向に若干の自由度を有する。
図3に示されるように、光モジュール2は、角柱状の金属製のパッケージ31に、光素子であるLD(レーザ光ダイオード)32と、後方光モニタ用のPD(フォトダイオード)33と、これらの光素子をマウントしたセラミック基板34と、光素子冷却用のペルチェ素子35とを収容したものである。ペルチェ素子35は、吸熱側と放熱側とを有する。吸熱側はLD32からの熱を奪うべくセラミック基板34に接している。放熱側はパッケージ31に熱を放出するべくパッケージ31の内面に接しているか又は近接している。そこで、本発明の光伝送モジュール1では、放熱側となる光モジュール2の外面(図3で言えば下面)を筐体6に接触させる。
以上の構成においては、光モジュール2を筐体6の面S6に直接、面S2で接触させたので、排熱効率がたいへん良い。特にペルチェ素子を内蔵して積極的に放熱を図る光モジュール2を用い、光モジュール2の放熱側となる外面を筐体6に接触させることで、いっそう排熱効率が良くなる。
また、基板5は光軸方向に自由度を持たせて位置を規制するようにしたので、基板5が光軸方向へ熱膨張しても、リード4やそのリード4を半田付けしている箇所の半田に応力が集中することがない。
また、筐体下面からコネクタ光軸C0までの高さH0に対するレセプタクル部3の光軸C1の高さH1の誤差ΔHは、筐体6の面S6(光モジュール2の面S2)から追うことができる。なお、コネクタ光軸C0とレセプタクル部3の光軸C1は、極端にずらせて図示してあるが、実際には筐体6の寸法誤差と光モジュール2の寸法誤差を合わせた程度であって、非常に微小なずれしかない。
次に、図4に示した本発明に係る光伝送モジュール1は、光素子を内蔵した光モジュール2とこの光モジュール2の片端に取り付けられて上記光素子からの光軸C1を通すレセプタクル部3と光モジュール2の反対端から突き出たリード4に半田付けされて上記光素子の制御回路を搭載した基板5とを筐体6に収容した光伝送モジュール1において、光モジュール2を筐体6の光軸C1に平行な面S6に直接、面S2で接触させると共に、該接触面にて光モジュール2を筐体6に固定し、レセプタクル部3は筐体6に非固定であって、少なくとも光軸C1に対して直角方向に自由度を持たせて位置を規制し、基板5は光モジュール2を筐体6に固定した箇所X1から光軸方向に所定の距離lの箇所X2にて筐体6に固定し、その距離lは基板5が光軸方向へ熱膨張しても半田付け箇所の半田に剪断降伏応力が加わらないように定めたものである。
距離lを定める方程式は以下の通りである。
Figure 2006171398
この方程式は、光モジュール2を筐体6に固定した箇所X1から基板5を筐体6に固定した箇所X2までの距離lによって、半田に加わる剪断応力τがどう変化するかを表したものである。剪断応力τが剪断降伏応力τhを越えないように距離lを定めておけば、基板5の熱膨張によって不具合が発生することがない。
そこで、図4の光伝送モジュールでは、箇所X2のところに基板5に向けて立ち上がったボス用突起を形成し、そのボス用突起の上面に雌ネジを設け、基板5にはその雌ネジの位置にネジ通し穴を形成し、このネジ通し穴にネジを通して雌ネジに締め込むことで、基板が筐体に固定される。また、エッジに近い位置には、図2の形態と同様に、筐体6の面S6より立ち上げたリブ17の上面に位置規制用の突起16を設け、基板5に位置規制用の穴15を形成してある。
次に、本発明の他の実施形態を説明する。これまでは、光モジュール2について、発光用の光素子を内蔵した光モジュールと受光用の光素子を内蔵した光モジュールとの差異はないものとした。しかし、実際には、発光用の光モジュールと受光用の光モジュールとでは寸法上の差異、特に光軸方向の長さの差異が存在する。そして、1つの光伝送モジュール1で双方向通信を担うために発光用の光モジュールと受光用の光モジュールとを1個ずつ筐体に並べて収容するのが一般的である。また、基板5については特に細部を説明しなかった。そこで、発光用光モジュールと受光用光モジュールとを1個ずつ搭載し、基板にも特徴のある光伝送モジュールを図7に示す。なお、筐体は図示省略してある。
図示のように、発光用光モジュール71と受光用光モジュール72は、いずれも外形が角柱状であるが光軸C方向の長さを見ると発光用光モジュール71のほうが長い。それぞれの光モジュール71,72のレセプタクル部73,74は、これらレセプタクル部73,74の位置を光軸Cに対して直角方向に自由度を持たせて規制する手段としてのレセプタクル部押さえ部材75に保持されている。
光モジュール71,72には、図示しない筐体に固定するためのネジ穴76が設けられている。光モジュール71,72が筐体に固定される様子、及びレセプタクル部73,74が筐体に非固定である様子は、図1で説明した通りである。
基板77は、長さの異なる光モジュール71,72との距離をそれぞれ短くするために段差(切り欠き)を形成してある。基板77は、ネジ止め箇所70において筐体に固定されている。
光モジュール71,72は、基板77との電気的な接続のための電気接続部としてフレキシブルリード78,79を有する。フレキシブルリード78,79は、図2のリード4が金属の丸棒、角棒あるいは板であるのに対し、可撓性のある絶縁フィルムに導体を付加したものである。基板77と光モジュール71,72との電気的な接続にフレキシブルリード78,79を用いたことにより、基板77が光軸方向へ熱膨張したり、その他の要因により光軸方向あるいは他の方向に多少変位したとしても、フレキシブルリード78,79により応力が緩和され、発生する熱応力は剪断降伏応力未満となるので、光モジュール71,72には影響が及ばない。
図8に示した形態では、光モジュール81に接続される基板82は、光モジュール81の電気接続部であるリード83に半田付け等で電気的に接続される部分84と図示しない制御回路等を搭載した他の部分85とに分割形成され、これら両部分84,85がフレキシブル基板86で相互に電気的に接続されたものである。なお、リード83に代えてフレキシブルリードを用いてもよい。このような構成により、他の部分85が光軸方向へ熱膨張したり、その他の要因により光軸方向あるいは他の方向に多少変位したとしても、フレキシブル基板86により応力が緩和されるので、光モジュール81に接続される部分84にはその影響が及ばず、また、この部分84が光軸方向へ熱膨張しても膨張量が小さいので、発生する熱応力は剪断降伏応力未満となり、光モジュール81あるいはリード83に及ぶ影響は少ない。
図9に示した形態では、光モジュール91に接続される基板92は、リジッド層93とフレキシブル層94とを複合してなるリジッドフレキ基板であり、少なくとも一部がフレキシブル層94のみで形成されている。つまり、光モジュール91の電気接続部であるリード95に半田付け等で電気的に接続される部分96は2枚のリジッド層93でフレキシブル層94を挟んで形成されており、図示しない制御回路等を搭載した他の部分97も2枚のリジッド層93でフレキシブル層94を挟んで形成されている。部分96と部分97との間はフレキシブル層94のみで形成されている。なお、リード95に代えてフレキシブルリードを用いてもよい。リジッド層93に付加した導体とフレキシブル層94に付加した導体とがスルーホール等により導通されることにより、部分96と部分97との導通が図られる。
この構成によれば、部分97が光軸方向へ熱膨張したり、その他の要因により光軸方向あるいは他の方向に多少変位したとしても、フレキシブル層94のみの部分が可撓性を持つことにより応力が緩和されるので、光モジュール91に接続される部分96にはその影響が及ばず、また、この部分96が光軸方向へ熱膨張しても膨張量が小さいので光モジュール91あるいはリード95に及ぶ影響は少ない。
図10に組み立ての様子を示す。光モジュール2は、角柱状の金属製のパッケージ31に、光素子、モニタ素子、セラミック基板、ペルチェ素子などを収容したものである(内部は図3参照)。この光モジュール2と基板5とを組み合わせてサブアッセンブリ101とする。一方、筐体6はサブアッセンブリ101を収容するための空間を有し、その空間の底部に貫通穴8が形成されている。筐体6にサブアッセンブリ101を収容したとき、ネジ9を貫通穴8に通すと、光モジュール2のパッケージ31の下面に形成されているネジ穴にネジ9が入る。ネジ9は、光モジュール2を筐体6に固定する固定部材である。
本発明の一実施形態を示す光伝送モジュールの部分側断面図である。 本発明の一実施形態を示す光伝送モジュールの部分側断面図である。 本発明に用いる光モジュールの側断面図である。 本発明の他の実施形態を示す光伝送モジュールの部分側断面図である。 一般的な光伝送モジュールの内部部品配置を示した図である。 従来の光伝送モジュールの部分側断面図である。 本発明の他の実施形態を示す光伝送モジュールの部分斜視図である。 本発明の他の実施形態を示す光伝送モジュールの部分側断面図である。 本発明の他の実施形態を示す光伝送モジュールの部分側断面図である。 本発明の光伝送モジュールの分解斜視図である。
符号の説明
1 光伝送モジュール
2 光モジュール
3 レセプタクル部
4 リード
5 基板
6 筐体
7 雌ネジ穴
9 ネジ

Claims (8)

  1. 光素子と上記光素子からの光信号を他のデバイスに伝送する際の接続部となるレセプタクル部とを有する光モジュールと上記光モジュールの反対端から突き出た電気接続部に電気的に接続されると共に上記光素子の制御回路を搭載した基板とを筐体に収容した光伝送モジュールにおいて、上記光モジュールの所定の面を上記筐体の所定の面に接触させると共に、該接触面にて上記光モジュールを上記筐体に固定部材により固定し、上記レセプタクル部と上記基板は上記筐体に非固定とし、上記レセプタクル部は少なくとも上記光素子から出射される光の光軸に対して直角方向に自由度を持たせて位置を規制し、上記基板は少なくとも上記光軸方向に自由度を持たせて位置を規制したことを特徴とする光伝送モジュール。
  2. 上記光モジュールに上記光素子を冷却する冷却素子を内蔵し、この冷却素子の放熱側となる上記光モジュールの外面を上記筐体に接触させたことを特徴とする請求項1記載の光伝送モジュール。
  3. 上記レセプタクル部を挟んで保持するレセプタクル部押さえ部材を上記筐体に収容し、このレセプタクル部押さえ部材が上記筐体の上記光軸に平行な面に対して隙間を有するようにしたことを特徴とする請求項1又は2記載の光伝送モジュール。
  4. 上記基板に位置規制用の穴を形成し、上記筐体の上記光軸に平行な面には、上記基板の穴より径が小さく、該穴内に届くまで伸びた位置規制用の突起を形成したことを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の光伝送モジュール。
  5. 光素子と上記光素子からの光信号を他のデバイスに伝送する際の接続部となるレセプタクル部とを有する光モジュールと上記光モジュールの反対端から突き出た電気接続部に電気的に接続されると共に上記光素子の制御回路を搭載した基板とを筐体に収容した光伝送モジュールにおいて、上記光モジュールの所定の面を上記筐体の所定の面に接触させると共に、該接触面にて上記光モジュールを上記筐体に固定し、上記レセプタクル部は上記筐体に非固定であって、少なくとも上記光軸に対して直角方向に自由度を持たせて位置を規制し、上記基板は上記光モジュールを上記筐体に固定した箇所から上記光軸方向に所定の距離の箇所にて上記筐体に固定し、その距離は上記基板が上記光軸方向へ熱膨張しても上記電気的に接続した箇所に発生する熱応力が剪断降伏応力未満となるように定めたことを特徴とする光伝送モジュール。
  6. 上記基板と上記光モジュールとの電気的な接続には、フレキシブルリードを用いることを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の光伝送モジュール。
  7. 上記基板は、上記光モジュールの電気接続部に電気的に接続される部分と他の部分とに分割形成され、これら両部分がフレキシブル基板で相互に電気的に接続されることを特徴とする請求項1〜6いずれか記載の光伝送モジュール。
  8. 上記基板は、リジッド層とフレキシブル層とを複合してなるリジッドフレキ基板であり、少なくとも一部がフレキシブル層のみで形成されることを特徴とする請求項1〜7いずれか記載の光伝送モジュール。
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