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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-08
(45)【発行日】2024-05-16
(54)【発明の名称】光モジュール
(51)【国際特許分類】
   G02B 6/42 20060101AFI20240509BHJP
   G02F 1/01 20060101ALI20240509BHJP
   H05K 7/20 20060101ALI20240509BHJP
【FI】
G02B6/42
G02F1/01 F
H05K7/20 F
【請求項の数】 7
(21)【出願番号】P 2020036724
(22)【出願日】2020-03-04
(65)【公開番号】P2021139998
(43)【公開日】2021-09-16
【審査請求日】2022-11-29
(73)【特許権者】
【識別番号】309015134
【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】久保 輝洋
(72)【発明者】
【氏名】小島 由佳
(72)【発明者】
【氏名】石坂 哲男
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 知幸
【審査官】林 祥恵
(56)【参考文献】
【文献】特開平09-171127(JP,A)
【文献】国際公開第2009/090988(WO,A1)
【文献】特開2014-178383(JP,A)
【文献】中国特許出願公開第107703589(CN,A)
【文献】特開2019-168606(JP,A)
【文献】特開2019-008105(JP,A)
【文献】特開2016-081060(JP,A)
【文献】特開2010-211157(JP,A)
【文献】特開2020-003701(JP,A)
【文献】特開2019-095698(JP,A)
【文献】特開2015-079092(JP,A)
【文献】特開2014-006313(JP,A)
【文献】特開2007-033698(JP,A)
【文献】特開2016-139041(JP,A)
【文献】特開2018-146639(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2012/0128290(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2011/0044696(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G02B 6/12-6/14
G02B 6/26-6/27
G02B 6/30-6/43
G02F 1/00-1/125
G02F 1/21-1/39
H01L 33/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
筐体に収納され、貫通孔が形成され且つ片面にへこみ部が形成される基板と、
前記基板の前記片面の貫通孔を含む領域に接着される第1金属板と、
光源が発する光を変調する光変調器及び前記光変調器によって変調されて得られる光信号を光ファイバへ送出する光学部品を含み、前記第1金属板の一方の面に搭載され、前記貫通孔の内部に配置される第1部品と、
前記第1金属板の他方の面に配置され、前記第1部品において発生する熱を前記筐体まで伝達する熱伝導部材と、
前記基板の前記へこみ部の底面に接着される第2金属板と、
前記第1部品から送出された前記光ファイバから入力される光信号を受信して電気信号に変換する光電変換部品を含み、前記第2金属板の前記へこみ部に接着された面と逆の面に搭載される第2部品と
を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項2】
前記光変調器は、
表面の高さが前記基板の表面の高さと略同一となるように前記貫通孔の内部に配置され、当該表面がワイヤによって前記基板の表面に接続される
ことを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
【請求項3】
前記第1部品は、
前記光変調器へ送信信号を供給するドライバ
をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
【請求項4】
前記ドライバは、
表面の高さが前記基板の表面の高さと略同一となるように前記貫通孔の内部に配置され、当該表面がワイヤによって前記基板の表面に接続される
ことを特徴とする請求項3記載の光モジュール。
【請求項5】
前記光学部品は、
表面の高さが前記基板の表面の高さと略同一となるように前記へこみ部に配置され、当該表面がワイヤによって前記基板の表面に接続される
ことを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
【請求項6】
前記基板の前記片面に配置され、発熱する発熱部品
をさらに有することを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
【請求項7】
前記基板の前記片面と反対側の面に配置され、前記発熱部品よりも発熱量が小さい電子部品
をさらに有することを特徴とする請求項6記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ラック型の光伝送装置に挿抜可能であるプラガブル(pluggable)な光モジュールの開発が盛んである。このような光モジュールは、例えばTOSA(Transmitter Optical Sub Assembly)と呼ばれる送信部とROSA(Receiver Optical Sub Assembly)と呼ばれる受信部とを備えることがある。TOSA及びROSAは、光変調器及びPD(Photo Diode)などの光素子を例えば箱型の金属パッケージ内に集積して形成されることがあるが、最近では装置の小型化や通信の高速化などの要求から、光素子を基板に直接実装して形成されることも多くなっている。
【0003】
光モジュールは、光伝送装置のポートに挿入されて接続されると、例えば光変調器及びDSP(Digital Signal Processor)などの発熱部品が発する熱を、光伝送装置に設けられたヒートシンクを介して放熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2015-001563号公報
【文献】特開2019-191281号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来の光モジュールでは、ヒートシンクまでの熱の伝達経路を十分に確保することが困難であり、放熱効率が悪いという問題がある。具体的には、箱型の金属パッケージのTOSA及びROSAの場合、金属パッケージとヒートシンクの間に例えば熱伝導ジェルを充填して金属パッケージから放熱することが可能であるが、基板上における金属パッケージの実装位置の柔軟性が低いため、金属パッケージとヒートシンクの位置関係が適切であるとは限らない。このため、金属パッケージの実装位置によっては、例えば熱伝導ジェルを用いても金属パッケージとヒートシンクを接続する熱の伝達経路が形成されず、放熱効率が悪くなる。
【0006】
また、金属パッケージを基板に実装する場合には、例えばDSPなどの他の電子部品のための実装面積が縮小されるため、主基板とは異なるサブ基板が電子モジュール内に設けられることがある。このような場合、主基板上の各種の電子部品とヒートシンクの間がサブ基板によって遮断され、主基板上の電子部品からヒートシンクまでの熱の伝達経路を形成することが困難となる。このように、光素子を金属パッケージ内に集積してTOSA及びROSAを形成する場合には、光モジュールの放熱効率を良好に保つことが困難である。
【0007】
一方、光素子を基板に直接実装してTOSA及びROSAを形成する場合には、基板上に実装されるレンズ及びフェルールなどの光学部品や光導波路が金属パッケージなどによって保護されることなく露出する。そして、光学部品には高い位置精度が求められ、光導波路は応力に対する強度が小さいため、基板上の電子部品とヒートシンクの間に例えば熱伝導ジェルを充填することは現実的ではない。したがって、基板上の電子部品で発生する熱は、熱伝導率があまり高くない基板へ伝達され、放熱が促進されない。
【0008】
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、放熱効率を向上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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願が開示する光モジュールは、1つの態様において、筐体に収納され、貫通孔が形成され且つ片面にへこみ部が形成される基板と、前記基板の前記片面の貫通孔を含む領域に接着される第1金属板と、光源が発する光を変調する光変調器及び前記光変調器によって変調されて得られる光信号を光ファイバへ送出する光学部品を含み、前記第1金属板の一方の面に搭載され、前記貫通孔の内部に配置される第1部品と、前記第1金属板の他方の面に配置され、前記第1部品において発生する熱を前記筐体まで伝達する熱伝導部材と、前記基板の前記凹部の底面に接着される第2金属版と、前記第1部品から送出された前記光ファイバから入力される光信号を受信して電気信号に変換する光電変換部品を含み、前記第2金属版の前記凹部に接着された面と逆の面に搭載される第2部品と有する。
【発明の効果】
【0010】
本願が開示する光モジュールの1つの態様によれば、放熱効率を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1図1は、一実施の形態に係る光モジュールの構成を示す図である。
図2図2は、一実施の形態に係る光モジュールの要部構成を示す図である。
図3図3は、図2のI-I線断面を示す模式図である。
図4図4は、図2のII-II線断面を示す模式図である。
図5図5は、送信部作成工程を示す図である。
図6図6は、送信部嵌合工程を示す図である。
図7図7は、送信部の実装の具体例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本願が開示する光モジュールの一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【0013】
図1は、一実施の形態に係る光モジュール100の構成を示す斜視図である。図1においては、光モジュール100の筐体の一部を切り欠いて、内部構成を図示している。図1に示す光モジュール100は、プルタブ110及び筐体120を有する。筐体120の内部には、基板130が収納され、DSP140、TOSA150及びROSA160が基板130に実装されている。
【0014】
プルタブ110は、ラック型の光伝送装置に光モジュール100を挿抜する際に、ユーザが把持する把持部である。プルタブ110の長手方向の一端には、基板130を内蔵する筐体120が接続されている。
【0015】
筐体120は、基板130及び基板上の各種部品を内蔵する金属製のケースである。図1においては、筐体120の一面を切り欠いて、内部の基板130、DSP140、TOSA150及びROSA160を図示している。筐体120の長手方向の一端には、プルタブ110が接続されている。光モジュール100がラック型の光伝送装置に挿入される際には、筐体120のプルタブ110とは反対側の端部からポートに挿入される。この端部においては、基板130の先端の端子部が筐体120から露出する。
【0016】
基板130は、筐体120に収納され、各種の電子部品及び光学部品を実装する回路基板である。後述するように、基板130には貫通孔が設けられており、TOSA150の一部が貫通孔の内部に配置される。基板130の先端は、筐体120から露出し、光モジュール100がラック型の光伝送装置に挿入された際に、光伝送装置と電気的に接続する端子となる。なお、基板130は、表層のみではなく内層にも配線を有する多層基板であっても良い。
【0017】
DSP140は、基板130に実装される電子部品の1つである。DSP140は、TOSA150によって光信号に変換される送信信号を生成したり、ROSA160によって電気信号に変換された受信信号を復調したりする。DSP140は、高速で信号処理を実行する電子部品であるため、比較的発熱量が大きい発熱部品である。
【0018】
TOSA150は、光源、光変調器及び光学部品を備え、光源が発する光を光変調器によって光変調し、得られた光送信信号を光学部品によって光ファイバへ送出する。TOSA150は、処理負荷が大きい光変調器を備えるため、比較的発熱量が大きい発熱部品である。このため、TOSA150の底部を構成する金属板には、放熱シートが貼付され、さらに放熱シートと光伝送装置のヒートシンクとの間に例えば熱伝導ジェルなどの熱伝導部材が配置される。TOSA150の具体的な構成については、後に詳述する。
【0019】
ROSA160は、光電変換するPDを備え、光ファイバから入力される光受信信号を電気の受信信号に変換する。そして、ROSA160は、電気の受信信号をDSP140へ出力する。ROSA160が備えるPDの処理負荷が比較的小さいため、ROSA160の発熱量はTOSA150の発熱量に比べて小さい。
【0020】
図2は、光モジュール100の要部構成を示す斜視図である。図2においては、基板130の一面に実装される部品を図示している。
【0021】
図2に示すように、DSP140の上面には例えば熱伝導ジェルなどの熱伝導部材210が配置され、TOSA150の上面にも例えば熱伝導ジェルなどの熱伝導部材220が配置される。なお、ここでは、基板130からDSP140へ向かう方向を上方向として、熱伝導部材210、220がそれぞれDSP140及びTOSA150の「上面に配置される」というが、光モジュール100は、必ずしも基板130からDSP140へ向かう方向が上方向となる姿勢で使用されなくても良い。すなわち、光モジュール100は、任意の姿勢で使用されて良く、例えば基板130からDSP140へ向かう方向が下方向となる姿勢で使用されても良い。
【0022】
熱伝導部材210、220は、発熱量が比較的大きい発熱部品であるDSP140及びTOSA150の上面に配置される。具体的には、熱伝導部材210、220は、発熱部品の上面と、光伝送装置のヒートシンクに接触する金属製の筐体120とを接続するように配置される。これにより、熱伝導部材210、220が発熱部品において発生する熱の伝達経路となり、発熱部品において発生する熱は、熱伝導部材210、220及び筐体120を経由してヒートシンクへ伝達され放熱される。なお、熱伝導部材210、220は、例えば熱伝導率が高いフィラーを含有するシリコーンなどを材料とする熱伝導ジェルであっても良いし、TOSA150の底部を構成する金属板と同様の金属であっても良い。
【0023】
TOSA150は、金属板に光学部品や光変調器を搭載して形成される。ここで、金属板に搭載される光学部品や光変調器は、基板130に形成される貫通孔の内部に配置される。すなわち、金属板の上面には熱伝導部材220が配置され、金属板の下面には光学部品及び光変調器が搭載されて、これらの光学部品及び光変調器は、基板130の貫通孔の内部に配置される。つまり、図2においては、金属板の下面が部品搭載面である。
【0024】
図3は、図2のI-I線断面を示す模式図である。図3に示すように、基板130には貫通孔130aが形成される。基板130の上面には、DSP140が実装され、DSP140の上面には熱伝導部材210が配置される。また、基板130の下面には、比較的低速で動作し、発熱量が小さい電子部品170が実装される。すなわち、発熱部品であるDSP140は、光伝送装置のヒートシンクがある基板130の上面側に配置され、DSP140とヒートシンクに接触する金属製の筐体120とが熱伝導部材210によって接続される。これにより、DSP140において発生する熱は、熱伝導部材210を伝達され、筐体120及びヒートシンクから放熱される。換言すれば、DSP140において発生する熱の放熱効率を向上することができる。
【0025】
TOSA150は、金属板151を底部に有し、金属板151の部品搭載面である下面にレンズ及びフェルールなどの光学部品153、光変調器154、LD(Laser Diode)などの光源155及びドライバ156を搭載する。そして、ドライバ156から供給される送信信号によって、光源155が発する光を光変調器154が光変調し、得られた光送信信号を光学部品153が光ファイバへ送出する。光学部品153、光変調器154及び光源155が金属板151に搭載されることにより、これらの部品の位置関係を高精度に維持することができ、光接続損失を低下させることができる。金属板151としては、例えば熱伝導性が高い銅タングステン又は銅モリブデンなどの銅合金を用いることができる。
【0026】
金属板151の部品搭載面に搭載された光学部品153、光変調器154、光源155及びドライバ156は、基板130に形成された貫通孔130aの内部に配置される。そして、金属板151の厚さを調節することにより、ドライバ156の下面の高さは、基板130の下面と略同一の高さとされており、ドライバ156は、ワイヤ157によって基板130にワイヤボンディング接続されている。このため、ドライバ156と基板130を接続するワイヤ157の長さを例えば100~300μm程度と短くすることができ、TOSA150と基板130の間での電気信号の伝送特性劣化を抑制することができる。
【0027】
一方、金属板151の部品搭載面と反対側の面には放熱シート152が貼付され、放熱シート152の上面に熱伝導部材220が配置される。熱伝導部材220の上面は、熱伝導部材210の上面と同様に金属製の筐体120に接触し、主に光変調器154及びドライバ156において発生する熱は、金属板151、放熱シート152及び熱伝導部材220を伝達され、筐体120及びヒートシンクから放熱される。換言すれば、TOSA150において発生する熱の放熱効率を向上することができる。
【0028】
図4は、図2のII-II線断面を示す模式図である。図4に示すように、TOSA150の底部を構成する金属板151は、基板130の貫通孔130aを含む領域に接着され、金属板151の下面に搭載される光学部品153、光変調器154及び光源155が貫通孔130aの内部に配置される。一方、ROSA160の底部を構成する金属板161は、基板130に形成される凹部130bに接着され、金属板161の上面にPDなどの光学部品162が実装される。また、金属板161及び光学部品162は、蓋部材163によって覆われて保護される。このように、TOSA150は、金属板151の下面を部品搭載面とする一方、ROSA160は、金属板161の上面を部品搭載面とすることにより、TOSA150及びROSA160の配線間の距離が大きくなる。結果として、TOSA150及びROSA160間のクロストークを低減することができる。
【0029】
なお、ROSA160は、必ずしも基板130の凹部130bに配置されなくても良いが、ROSA160を凹部130bに配置し、金属板161の厚さを調節することにより、光学部品162と基板130の表面との高さを揃えることができる。この結果、光学部品162と基板130を接続するワイヤの長さを短くすることができ、ROSA160と基板130の間での電気信号の伝送特性劣化を抑制することができる。
【0030】
次に、一実施の形態に係る光モジュール100の製造方法について説明する。
【0031】
まず、送信部であるTOSA150及び受信部であるROSA160がそれぞれ作成される。すなわち、TOSA150及びROSA160の底部を構成する金属板151、161に、それぞれ部品が搭載される。具体的には、例えば図5に示すように、TOSA150の底部を構成する金属板151に光変調器154、光源155及びドライバ156が搭載される。このとき、高精度な位置合わせが必要とされる光学部品153は搭載されず、光源155と一体型の光変調器154及びドライバ156が、例えば銀-エポキシ系の導電性接着剤などによって金属板151に接着される。
【0032】
TOSA150及びROSA160が作成されると、これらのTOSA150及びROSA160は、基板130に実装される。すなわち、TOSA150は、光変調器154及びドライバ156を基板130の貫通孔130aに挿入した状態で金属板151と基板130が接着されることにより実装される。一方、ROSA160は、金属板161が基板130の凹部130bの底面に接着されることにより実装される。また、基板130には、DSP140及び他の電子部品170が例えばSMT(Surface Mount Technology)又はBGA(Ball Grid Array)などによって実装される。
【0033】
具体的には、例えば図6に示すように、光変調器154及びドライバ156が基板130の貫通孔130aの内部に配置されるように、金属板151の凸部が貫通孔130aに嵌合し、金属板151が基板130に接着される。金属板151の基板130とは反対側の面には、放熱シート152が貼付される。そして、基板130の金属板151が接着される面には、ROSA160が実装されるとともに、DSP140などの発熱部品が実装される。一方、基板130の金属板151が接着される面と反対側の面には、発熱量が小さい電子部品170が実装される。
【0034】
このように、基板130の一方の面に、TOSA150の金属板151とDSP140などの発熱部品とが集めて実装され、基板130の他方の面に、発熱量が小さい電子部品170が集めて実装される。これにより、基板130の一方の面から効率的に放熱することができる。なお、TOSA150の光変調器154及びドライバ156は、基板130の貫通孔130aの内部に配置されるが、これらの部品を保護するために、例えば図7に示すように、蓋部材158によって基板130の貫通孔130aを含む領域を覆っても良い。
【0035】
基板130にDSP140、TOSA150、ROSA160及び他の電子部品170が実装されると、光ファイバに接続されたフェルール及びレンズなどの光学部品153が金属板151に接着される。具体的には、光学部品153は、高精度に位置合わせされながら、例えば光硬化樹脂などの接着剤によって金属板151に接着される。
【0036】
そして、DSP140及び放熱シート152の露出する面にそれぞれ熱伝導部材210、220が配置され、各部品が実装された基板130が筐体120に収納される。このとき、熱伝導部材210、220は、筐体120の一面に接触する。これにより、光モジュール100が完成する。
【0037】
以上のように、本実施の形態によれば、金属板に搭載される部品を基板の貫通孔の内部に配置するようにTOSAを実装し、金属板の部品搭載面とは反対側の面と筐体との間に熱伝導部材を配置する。これにより、TOSAの光変調器及びドライバにおいて発生する熱は、金属板及び熱伝導部材を経由して筐体まで伝達され放熱される。このため、光モジュールの放熱効率を向上することができる。また、光変調器又はドライバの表面と基板表面との高さを揃えることができ、光変調器又はドライバと基板とを接続するワイヤの長さを短くすることができる。結果として、電気信号の伝送特性劣化を抑制することができる。
【0038】
なお、上記一実施の形態においては、金属板151に光変調器154及びドライバ156が搭載されてTOSA150が形成されるものとしたが、ドライバ156は、金属板151ではなく基板130に実装されても良い。この場合、金属板151の厚さを調節することにより、光変調器154の表面の高さと基板130の表面の高さとを略同一にし、光変調器154の表面と基板130の表面とを接続するワイヤの長さを短くすれば良い。また、ドライバ156を基板130に形成された凹部に実装することにより、ドライバ156の表面の高さと基板130の表面の高さとを略同一にし、ドライバ156の表面と基板130の表面とを接続するワイヤの長さを短くしても良い。
【0039】
上記一実施の形態においては、光源155と一体型の光変調器154を用いるものとしたが、光源155は、必ずしも光変調器154と一体化されていなくても良い。すなわち、金属板151に独立した光源155が搭載され、光変調器154は、この光源155が発する光を変調するようにしても良い。
【符号の説明】
【0040】
110 プルタブ
120 筐体
130 基板
130a 貫通孔
130b 凹部
140 DSP
150 TOSA
151、161 金属板
152 放熱シート
153、162 光学部品
154 光変調器
155 光源
156 ドライバ
157 ワイヤ
160 ROSA
170 電子部品
210、220 熱伝導部材
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7