JP2018097263A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の温度が高くなっても、発光素子より所望の強度のレーザ光が出射される光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュールは、発光素子１３と、発光素子より出射された光が伝播する光導波路２０と、温度センサ８０と、発光素子及び温度センサを覆う筐体５１、５２と、発光素子と筐体との間に設けられた第１の放熱部材９１と、温度センサと筐体との間に設けられた第２の放熱部材９２と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、光モジュールに関する。

スーパーコンピュータ、ハイエンドサーバの高速インターフェースにおける通信では銅等の電線ケーブルが用いられていたが、信号の高速伝送化に対応し、かつ、伝送距離を長くすることが可能な光通信が普及しつつある。

伝送距離が数十ｍと長い次世代インターフェースでは光通信が用いられており、光ケーブルとサーバとを接続して電気信号を光信号に変換する光モジュールが用いられている。光モジュールは、光ケーブルからの光信号を電気信号に変換してサーバに出力し、サーバからの電気信号を光信号に変換して光ケーブルへと出力する。

光モジュールは、筐体内に、電気信号を光信号に変換する発光素子、光信号を電気信号に変換する受光素子、発光素子を駆動する駆動ＩＣ（Integrated Circuit）、電流を電圧に変換するＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier）が設けられている。発光素子、受光素子、駆動ＩＣ、ＴＩＡは基板に搭載されており、発光素子及び受光素子とレンズ付きフェルール等のフェルールとの間は光導波路により接続されている。

特開２０１３−６９８８３号公報 特開２０１５−２２１２９号公報

ところで、光モジュールに搭載されているＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の発光素子は、流れる電流量が多いため高温になり、パワーが低下する場合がある。発光素子のパワーが低下すると、正常な光通信を行うことができなくなる場合があるため、発光素子の温度が高くなった場合には、発光素子に流れる電流を減らす制御がなされる。

しかしながら、発光素子の温度を正確に測定することは容易ではなく、発光素子より出射されるレーザ光が、所望の強度にはならず、光通信に支障をきたす場合がある。

このため、発光素子の温度が高くなっても、発光素子より所望の強度のレーザ光が出射される光モジュールが求められている。

本実施の形態の一観点によれば、発光素子と、前記発光素子より出射された光が伝播する光導波路と、温度センサと、前記発光素子及び前記温度センサを覆う筐体と、前記発光素子と前記筐体との間に設けられた第１の放熱部材と、前記温度センサと前記筐体との間に設けられた第２の放熱部材と、を有することを特徴とする。

開示の光モジュールによれば、光モジュールにおける発光素子の温度が高くなっても、発光素子より所望の強度に近い強度のレーザ光を出射することができる。

第１の実施の形態の光モジュールの分解斜視図 第１の実施の形態の光モジュールの要部の上面図 第１の実施の形態の光モジュールの説明図 比較に用いた光モジュールの説明図（１） 比較に用いた光モジュールの説明図（２） 第２の実施の形態の光モジュールの説明図 第３の実施の形態の光モジュールの説明図 第３の実施の形態の光モジュールの変形例の説明図

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（光モジュール）
第１の実施の形態の光モジュールについて、図１及び図２に基づき説明する。図１は、本実施の形態の光モジュールの分解斜視図であり、図２は、光モジュールの要部の上面図である。

本実施の形態の光モジュールは、図１に示すように、回路基板（基板）１０、光導波路２０、光コネクタ３０、クリップ４０が下部筐体５１と上部筐体５２とにより形成される筐体内に入れられており、光ケーブル６０が接続されている。光ケーブル６０の一部は筐体に覆われている。

基板１０には、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits：フレキシブルプリント回路基板）１２が接続されるＦＰＣコネクタ１１及び外部との接続のための端子１７が設けられている。

また、図２に示すように、ＦＰＣ１２には、電気信号を光信号に変換し出射するＶＣＳＥＬ等の発光素子１３、及び光信号を電気信号に変換するフォトダイオード等の受光素子１４が搭載されている。また、基板１０には発光素子１３を駆動する駆動ＩＣ１５、受光素子１４から出力される電流を電圧に変換するＴＩＡ１６が設けられている。発光素子１３及び受光素子１４は、いわゆるフェイスダウンで実装されている。また、基板１０には、温度センサ８０が設けられている。

光導波路２０はフレキシブルなシート状の光導波路であり、複数のコアの周囲にクラッドが形成されており、光導波路に入射した光はコア内を伝播する。

光コネクタ３０は、レンズ付きフェルール３１とＭＴフェルール３２とが接続されたものである。レンズ付きフェルール３１には光導波路２０が接続され、光導波路２０との接続部分はフェルールブーツ３３により保護されている。クリップ４０にはねじ穴が設けられており、ねじ穴が設けられたクリップ４０と下部筐体５１とがねじ５３によりねじどめされて、クリップ４０が下部筐体５１に固定されている。

光ケーブル６０には、スリーブ６１ａ、６１ｂがカシメリング６２により固定されている。スリーブ６１ａ、６１ｂが固定されている光ケーブル６０の上下より、ケーブルブーツ７１、７２が被せられ、プルタブ／ラッチ部７３が取り付けられる。

光コネクタ３０がクリップ４０により固定され、基板１０が載置された下部筐体５１に上部筐体５２を被せ、上部筐体５２のねじ穴５２ａと下部筐体５１のねじ穴５１ｂとをねじ５４でねじどめすることで、下部筐体５１と上部筐体５２が固定される。尚、下部筐体５１、上部筐体５２はアルミニウム等の金属材料により形成されており、熱伝導性は比較的高い。

図３（ａ）は、本実施の形態の光モジュールを光モジュールの長手方向に垂直に切断した断面図であり、図３（ｂ）は、光モジュールの長手方向に平行に切断した断面図である。図３に示されるように、本実施の形態の光モジュール３Ａは、ＦＰＣ１２の上に設けられている発光素子１３と上部筐体５２との間に第１の放熱部材９１が設けられており、温度センサ８０と上部筐体５２との間に第２の放熱部材９２が設けられている。

本実施の形態の光モジュール３Ａでは、第１の放熱部材９１は、一方の面が発光素子１３と接しており、他方の面が上部筐体５２と接している。第２の放熱部材９２は、一方の面が温度センサ８０と接しており、他方の面が上部筐体５２と接している。これにより、発光素子１３において発生した熱は、破線矢印に示すように、発光素子１３から、第１の放熱部材９１、上部筐体５２、第２の放熱部材９２の順に流れ、温度センサ８０に伝わる。

第１の放熱部材９１及び第２の放熱部材９２は、例えば放熱シートであり、絶縁性を有し、熱伝導率が比較的高い材料により形成されている。具体的には、第１の放熱部材９１及び第２の放熱部材９２は、シリコンゴム、シリコングリス、アルミナフィラを有するエポキシ樹脂等により形成されている。

（シミュレーション）
次に、本実施の形態の光モジュールについて、シミュレーションを行った結果について説明する。具体的には、図３等に示す本実施の形態の光モジュール３Ａと、比較のため、図４に示す光モジュール４Ａ、図５に示す光モジュール５Ａについてシミュレーションを行った。

図４（ａ）は、光モジュール４Ａを光モジュールの長手方向に垂直に切断した断面図であり、図４（ｂ）は、光モジュールの長手方向に平行に切断した断面図である。図４に示される光モジュール４Ａは、回路基板９１０の上に、ＶＣＳＥＬ等の発光素子９１３、温度センサ９８０等が設けられている。

発光素子９１３はフェースアップで実装されており、発光素子９１３の上には、ミラー９２１及び光導波路９２０が設けられている。発光素子９１３から出射したレーザ光はミラー９２１において反射され、光導波路９２０に入射する。このような回路基板９１０及び光導波路９２０は、下部筐体９５１と上部筐体９５２により形成された筐体の内部に収納されている。尚、下部筐体９５１及び上部筐体９５２は金属により形成されている。

図４に示される光モジュール４Ａでは、回路基板９１０の発光素子９１３が搭載されている面とは反対側に、下部筐体９５１の内側に出っ張った凸部９５３が形成されている。また、回路基板９１０と下部筐体９５１の凸部９５３との間には、放熱シート９９１が設けられており、上部筐体９５２と温度センサ９８０との間には放熱シート９９２が設けられている。光モジュール４Ａでは、発光素子９１３において発生した熱は、破線矢印に示すように発光素子９１３より、回路基板９１０、放熱シート９９１、凸部９５３、下部筐体９５１、上部筐体９５２、放熱シート９９２の順に流れ、温度センサ９８０に伝わる。

図５（ａ）は、光モジュール５Ａを光モジュールの長手方向に垂直に切断した断面図であり、図５（ｂ）は、光モジュールの長手方向に平行に切断した断面図である。図５に示される光モジュール５Ａでは、回路基板９１０の発光素子９１３が設置されている領域の近傍に、回路基板９１０を貫通する９個のビア９１９が形成されている。

回路基板９１０に設けられたビア９１９は、温度センサ９８０において測定される温度と発光素子９１３の温度との差を少なくするために形成されており、形成されているビア９１９の大きさは、０．３ｍｍ×０．３ｍｍである。発光素子９１３において発生した熱は、破線矢印に示す方向に流れ、温度センサ９８０に伝わる。

シミュレーションでは、発光素子を０．００８Ｗの同一条件で駆動した場合における発光素子の温度及び筐体の上部の温度を算出した。この結果を表１に示す。尚、筐体の上部と温度センサとの距離は比較的短く、筐体の上部の温度は温度センサの温度と略同じと考えることができるため、本願では、便宜上、筐体の上部の温度を温度センサにおける温度として記載する。

最初に、図３に示す本実施の形態の光モジュール３Ａにおいて発光素子１３を駆動した場合、発光素子１３の温度は７６．８℃であり、温度センサ８０により測定される温度は７０．５℃であり、発光素子１３の温度と温度センサ８０により測定される温度との差は６．３℃であった。

次に、図４に示す光モジュール４Ａにおいて発光素子９１３を駆動した場合、発光素子９１３の温度は８６．３℃であり、温度センサ９８０により測定される温度は７５．２℃であり、発光素子９１３の温度と温度センサ９８０により測定される温度との差は１１．１℃であった。

次に、図５に示す光モジュール５Ａにおいて発光素子９１３を駆動した場合、発光素子９１３の温度は８２．３℃であり、温度センサ９８０により測定される温度は７４．５℃であり、発光素子９１３の温度と温度センサ９８０により測定される温度との差は７．８℃であった。

以上より、本実施の形態の光モジュール３Ａは、光モジュール４Ａ、５Ａよりも、発光素子の温度と温度センサにより測定される温度との差を小さくすることができ、発光素子に流す電流量を適切に制御することができる。

発光素子の温度と温度センサにより測定される温度との差が大きいと、温度センサにより測定された温度に対応する電流を流しても、必要とする電流よりも低すぎたり、高すぎたりするため、所望の強度のレーザ光を得ることはできない。しかしながら、発光素子の温度と温度センサにより測定される温度との差が小さければ、温度センサにより測定された温度に対応する電流を流せば、発光素子からは所望の強度に近いレーザ光を出射させることができる。発光素子に流す電流量の制御は、温度センサにおいて測定された温度に基づき発光素子を駆動する駆動ＩＣにより行われる。

本実施の形態の光モジュールでは、温度センサ８０により測定された温度は発光素子１３の温度に近いため、駆動ＩＣ１５による制御により、所望の強度に近い強度のレーザ光を発光素子１３より出射させることができ、安定した光通信を行うことができる。

尚、本実施の形態の光モジュール３Ａが光モジュール４Ａ、５Ａよりも、発光素子の温度と温度センサにより測定される温度との差が小さくなるのは、本実施の形態の光モジュール３Ａは、光モジュール４Ａ、５Ａと比べて発光素子と温度センサとの間の熱が伝わる熱経路が短くなるからであると考えられる。

ところで、光モジュールにおいて、温度が比較的高くなる素子は、発光素子１３と、発光素子１３を駆動する駆動素子である駆動ＩＣ１５である。本実施の形態では発光素子１３の上に第１の放熱部材９１が設けられているが、受光素子１４及びＴＩＡ１６の上には設けられてはいない。第１の放熱部材９１を受光素子１４及びＴＩＡ１６の上にも設けた場合、受光素子１４及びＴＩＡ１６のようなあまり高温とはならない素子まで第１の放熱部材９１を介し熱が伝わるため好ましくないからである。また、この場合には第１の放熱部材９１の面積が広くなるため、発光素子１３で発生した熱が広い領域に拡散され、発光素子１３の正確な温度を温度センサ８０では測定できなくなる可能性がある。従って、本実施の形態の光モジュールにおいては、第１の放熱部材９１は発光素子１３の上には設けられているが、受光素子１４及びＴＩＡ１６の上には設けられてはいない。

尚、第１の放熱部材９１は、発光素子１３のみならず駆動ＩＣ１５の上にも設けられていてもよい。しかし、発光素子１３よりも駆動ＩＣ１５の方が高温になる場合には、第１の放熱部材９１は駆動ＩＣ１５の上には設けられていない方が好ましい。この場合、駆動ＩＣ１５にも第１の放熱部材９１が設けられていると、駆動ＩＣ１５において発生した熱が、発光素子１３に伝わり、発光素子１３が高温となり、また、駆動ＩＣ１５等のＩＣの熱が温度センサ８０に伝わり発光素子１３の温度が測定できなくなるからである。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図６に示すように、上部筐体５２の内側に第１の突起１５１及び第２の突起１５２を形成した構造のものである。第１の放熱部材９１及び第２の放熱部材９２は上部筐体５２の一部であり、上部筐体５２は、熱伝導性の高いアルミニウムなどの金属材料により形成されているため、第１の実施の形態と様に、温度センサにより測定される温度が発光素子の温度に近くなる。本実施の形態においては、第１の突起１５１は発光素子１３と接触しており、第２の突起１５２は温度センサ８０と接触している。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。図７（ａ）は、第３の実施の形態の光モジュールを光モジュールの長手方向に垂直に切断した断面図であり、図７（ｂ）は、光モジュールの長手方向に平行に切断した断面図である。
本実施の形態の光モジュールは、図７に示すように、発光素子１３と温度センサ８０とを放熱部材１９０により覆った構造のものである。

発光素子１３と温度センサ８０とを放熱部材１９０により覆うことにより、発光素子１３で発生した熱は、破線矢印に示されるように放熱部材１９０の内部を流れ、温度センサ８０に伝わるため、温度センサ８０において測定される温度は、発光素子１３における温度に近くなる。なお、図７における放熱部材１９０は放熱シートであり、材質は第１の実施形態と同様である。

また、本実施の形態の光モジュールでは、図８に示すように、上部筐体５２と下部筐体５１に囲まれた筐体内部を熱伝導率のよい樹脂等により形成された放熱部材１９０により封止してもよい。この構造にすることにより、発光素子１３及び駆動ＩＣ１５における発生した熱は、放熱部材１９０を介し上部筐体５２と下部筐体５１に伝達されるため放熱が効果的になされる。尚、図８（ａ）は、この光モジュールを光モジュールの長手方向に垂直に切断した断面図であり、図８（ｂ）は、光モジュールの長手方向に平行に切断した断面図である。

上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１０ 基板
１１ ＦＰＣコネクタ
１２ ＦＰＣ
１３ 発光素子
１４ 受光素子
１５ 駆動ＩＣ
１６ ＴＩＡ
２０ 光導波路
５１ 下部筐体
５２ 上部筐体
８０ 温度センサ
９１ 第１の放熱部材
９２ 第２の放熱部材

Claims (5)

1. 発光素子と、
   前記発光素子より出射された光が伝播する光導波路と、
   温度センサと、
   前記発光素子及び前記温度センサを覆う筐体と、
   前記発光素子と前記筐体との間に設けられた第１の放熱部材と、
   前記温度センサと前記筐体との間に設けられた第２の放熱部材と、
   を有することを特徴とする光モジュール。
2. 発光素子と、
   前記発光素子より出射された光が伝播する光導波路と、
   温度センサと、
   前記発光素子及び前記温度センサを覆う筐体と、
   前記筐体の内側に設けられ前記発光素子と接する第１の突起と、
   前記筐体の内側に設けられ前記温度センサと接する第２の突起と、
   を有することを特徴とする光モジュール。
3. 発光素子と、
   前記発光素子より出射された光が伝播する光導波路と、
   温度センサと、
   前記発光素子及び前記温度センサを覆う筐体と、
   前記発光素子と前記温度センサとを覆う放熱部材と、
   を有することを特徴とする光モジュール。
4. 前記筐体の内側の領域は、前記放熱部材により埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 基板には、発光素子と、前記発光素子を駆動する駆動素子が設けられており、
   前記駆動素子は、前記温度センサにおいて測定された温度に基づき、前記発光素子に流れる電流を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光モジュール。

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