JP2008177310A - 光モジュール及びそれを搭載した光トランシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】実装された場合におけるＥＳＤやＥＭＩの影響の低減または除去を、用いる材料に制約されることなく、簡易な構造で実現することができる光モジュール及びそれを搭載した光トランシーバを提供する。
【解決手段】光モジュール１０は、ステム部材１２と、ステム部材１２に装着したレンズキャップ１３で形成される空間のステム部材１２上に半導体光デバイス１１を搭載し、その光デバイス１１へ電気信号を供給する、もしくは、光デバイス１１からの電気信号を導出するリードを含む複数のリード１４をステム部材１２に備える。ステム部材１２は、光デバイス１１を搭載しかつリード１４を備える金属製の本体部１２ａと、レンズキャップ１３を装着する金属製の装着部１２ｂと、本体部１２ａと装着部１２ｂとを電気的に絶縁する絶縁部１２ｃと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号の送受信に用いられる光モジュール及びそれを搭載した光トランシーバに関する。

光モジュールは、光電変換機能を有するものであって、例えば、光コネクタのフェルールをガイドするスリーブ部等に取り付けられて、光サブアセンブリ（ＯＳＡ：Optical Sub-Assembly）に実装される。また、そのＯＳＡは、例えば、光ファイバケーブルの光コネクタを一方に受納する光レセプタクル部の他方に搭載されて、光トランシーバ等の伝送装置に用いられる。

光モジュールとしては、図７に示すような構造を有するものが知られている。図７は、従来の光モジュールの一例の概略を説明する断面図であって、光モジュールがＯＳＡに実装され、当該ＯＳＡが光レセプタクル部に搭載されたときの様子を示している。光モジュール１０’は、ステム１２’上に光電変換素子（半導体光デバイス）１１を有し、また、ＯＳＡ１００は、光コネクタのフェルール（図示せず）をガイドするスリーブ部２０と、当該スリーブ部２０と光モジュール１０’を連結するジョイントスリーブ３０を有している。このスリーブ部２０とジョイントスリーブ３０とを合わせて光結合部と呼ぶ。

ＯＳＡ１００のスリーブ部２０が搭載される導電性を有する光レセプタクル部５０は、光トランシーバ等の伝送装置が搭載されるホスト装置の筐体グラウンド（ＦＧ：Frame Ground）に電気的に接続されており、電気的遮蔽効果を有する。光レセプタクル部５０に電気的に接触して搭載されるスリーブ部２０も、少なくともその外周が導電性を有する材料で形成されており、電気的遮蔽効果を有する。

一方、光モジュール１０’は、半導体光デバイス１１（以下、光デバイス１１という）を実装したステム１２’とレンズキャップ１３とから成るＣＡＮパッケージをパッケージとして用いる。また、光モジュール１０’は、駆動用の回路基板(図示せず)に電気的に接続するための複数のリード１４を有しており、そのうちの少なくとも１つはステム１２’に電気的に接続されるケースリード１４ａである。またケースリード１４ａの電位レベルは、光デバイス１１を安定して動作させるために回路基板上の回路のグラウンド（シグナルグラウンド（ＳＧ：Signal Ground））と同じ電位とされている。

光モジュール１０’が実装されたＯＳＡ１００では、金属材料で形成されているケースリード１４ａと光レセプタクル部５０とが、スリーブ部２０、ジョイントスリーブ３０、レンズキャップ１３及びステム１２’を介して電気的に接続される。その場合、ホスト装置（伝送装置等）で生じたノイズがケースリード１４ａを介して回路基板に伝わることになり、静電放電（ＥＳＤ：Electro-static Discharge）による回路故障の原因となる。また、回路基板に搭載された光デバイス１１の駆動ＩＣから生じる周波数によるノイズ、すなわち、電磁干渉（ＥＭＩ：Electro-magnetic interference）によるノイズが、ケースリード１４ａを介してスリーブ部２０に伝わり、スリーブ部２０（スリーブシェル２４）から放射することになる。

この問題を解決するために、光モジュールが実装されたＯＳＡにおいて、図７に示すように、スリーブ部２０と光モジュール１０’の間に存在するジョイントスリーブ３０’を、２つの金属部品（上金属蓋３５及び下金属リング３６）と１つの絶縁部品（絶縁リング３７）から成る３体構造とし、２つの金属部品の間に絶縁部品を介在させている（例えば、特許文献１）。

これにより、光モジュール１０’が実装されたＯＳＡ２００においては、光レセプタクル部５０のＦＧ電位と、ケースリード１４ａのＳＧ電位を絶縁し、上述のＥＳＤの影響を低減または除去するようにしている。また、光レセプタクル部５０内に存在するスリーブ部品（スリーブシェル２４）に対して、光デバイス（半導体発光素子）１１の駆動デバイスから発生する電磁波が伝達することを防ぎ、ＥＭＩ特性を向上させるようにしている。

また、光モジュールをＯＳＡに実装する場合に、用いるスリーブ部の全体または一部（例えば、光レセプタクル部から装置外部に露出される部分）を絶縁性のセラミックで形成することにより、ＥＳＤやＥＭＩの影響を低減または除去するようにする技術も提案されている。
特開２００６−８４６８３号公報

しかし、特許文献１に記載のように光モジュールが搭載された光サブアセンブリ（図７のＯＳＡ２００）では、ジョイントスリーブ３０’を構成する金属製の上金属蓋３５及び下金属リング３６の２点と絶縁リング３７の１点は圧入により固定される。その際の圧入力を所定値とするためには、各部品の寸法精度を厳しく制御することが必要となってくるため、部品加工の管理レベルが上がってしまう。また、これら３つの部品は、それぞれ圧入する（１つ１つアセンブリする）必要があるため、圧入を行うための治具類が多数必要となる。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、実装された場合におけるＥＳＤやＥＭＩの影響の低減または除去を、用いる材料に制約されることなく、簡易な構造で実現することができる光モジュール及びそれを搭載した光トランシーバを提供することを目的とする。

本発明の光モジュールは、ステム部材と、ステム部材に装着したレンズキャップで形成される空間のステム部材上に半導体光デバイスを搭載し、この光デバイスへ電気信号を供給する、もしくは、光デバイスからの電気信号を導出するリードを含む複数のリードをステム部材に備えるものであって、ステム部材は、光デバイスを搭載しかつリードを備える金属製の本体部と、レンズキャップを装着する金属製の装着部と、本体部と装着部とを電気的に絶縁する絶縁部と、を有することを特徴とする。

なお、複数のリードの少なくとも一が、本体部に直接接続されていることが好ましい。

また、本発明による光トランシーバは、上述の光モジュールと、この光モジュールと電気的に接続される回路を搭載する回路基板を搭載し、導電性のハウジングを備えるものであって、上記複数のリードの一がステム部材の本体部及び上記回路のグラウンドに直接接続されており、かつ、ハウジングとは光トランシーバ内で絶縁されており、一方、ステム部材の装着部はハウジングと直接接続されており、かつ、上記回路のグラウンドとは光トランシーバ内において絶縁されていることを特徴とする。

なお、この光トランシーバにおいて、光モジュールがさらに導電性の光結合部を有し、レンズキャップが光結合部と直接電気的に接続されていることが好ましい。

本発明の光モジュールによれば、ステム部材において光デバイスの実装される金属製の部分とレンズキャップが装着される金属製の部分とを、絶縁部材により絶縁することによって、実装された場合におけるＥＳＤやＥＭＩの影響の低減または除去を、用いる材料に制約されることなく、簡易な構造で実現することができる。

以下、図１及び図２により、本発明に係る光モジュールを説明する。
図１は、本発明に係る光モジュールの概略を説明する図で、図１（Ａ）は光モジュールが光サブアセンブリ（ＯＳＡ）に実装されるときの外観図、図１（Ｂ）はその部分断面斜視図である。図２は、光モジュールがＯＳＡに実装され、当該ＯＳＡが光レセプタクル部に搭載されたときの様子を示す断面図である。本発明の光モジュールは、光電変換機能を有するが、その光電変換機能を担い且つ当該光モジュールに備えられる光デバイスとしては、受光素子（以下、ＰＤ（Photo Detector）という）や、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）等の発光素子が挙げられる。以下では、本発明の光モジュールについて、ＰＤを備える受光モジュールとしてＯＳＡに実装された例で説明する。

光モジュール１０には、例えば、スリーブ部２０に挿入される光コネクタのフェルール内の光ファイバ（図示せず）から光信号を受信して電気信号に変換するＰＤ１１を有する、円筒形状のＣＡＮパッケージが用いられる。また、光モジュール１０は、光コネクタのフェルール（図示せず）をガイドするスリーブ部２０と、当該スリーブ部２０と光モジュール１０を連結するジョイントスリーブ３０と共にＯＳＡ１を構成する。このＯＳＡ１は、例えば、光ファイバケーブルの光コネクタ（図示せず）を一方に受納する光レセプタクル部５０に搭載されて、光トランシーバ等の伝送装置に用いられる。

まず、本発明に係る光モジュール１０が実装されるＯＳＡ１を構成する、スリーブ部２０及びジョイントスリーブ３０について説明する。スリーブ部２０は、例えば、スタブ２１と、スリーブ２２と、ブッシュ２３と、スリーブシェル２４と、を有する。
スタブ２１は、セラミック等から形成されるものであって、円筒状に形成され、その中心部に光ファイバ等の光ガイド部２１ａ（以下、光ファイバ２１ａという）を有し、光モジュール１０側端面が光軸に対して数度（５°〜１０°）の範囲で斜め研磨されており、その反対側の端面が光コネクタのフェルール（図示せず）と物理的に当接するように凸形状に加工されている。

スリーブ２２は、例えば、ジルコニア等のセラミック材料製の割スリーブを用いることもできるし、金属製の精密スリーブを用いても良い。また、スリーブ２２は、光モジュール１０側にスタブ２１が挿入され、その反対側には光コネクタのフェルール（図示せず）が挿入される。

ブッシュ２３は、光レセプタクル部５０と同様に電気的遮蔽効果の高い金属材料を用いて形成されるか、樹脂等で成形した部品に導電体膜を被覆して形成されている。また、ブッシュ２３は、光レセプタクル部５０を介して光トランシーバ等の伝送装置（及び伝送装置が搭載されるホスト装置）の筐体グラウンド（ＦＧ）に電気的に接続されることで、電位レベルが安定して電気的遮蔽効果を高めることができる。

また、ブッシュ２３は、径の異なるドーナッツ状の板部材が互いの中心軸が同一になるように連接された形状を有し、また、スリーブシェル保持部２３ａとスタブ保持部２３ｂとを有し、スリーブシェル保持部２３ａにスリーブシェル２４を圧入保持し、スタブ保持部２３ｂにスタブ２１を圧入保持することができるように構成されている。さらにブッシュ２３は環状に凹部が形成された係合部２３ｃを有し、この係合部２３ｃを光レセプタクル部５０と係合させることにより、ＯＳＡ１が光レセプタクル部５０（すなわち伝送装置）に保持される。

スリーブシェル２４は、電気的遮蔽効果、耐磨耗性及び加工性を考慮して、例えば、金属材料を用いて形成される。スリーブシェル２４は、一方にスリーブ２２全体を収納する凹部２４ａを有し、他方には光コネクタのフェルール（図示せず）の挿入を容易にするためにテーパ状に形成された開口２４ｂを有する。スリーブシェル２４の凹部２４ａに収納されたスリーブ２２は、光コネクタのフェルールが挿入されたときに、フェルール内の光ファイバ（図示せず）と、スタブ２１内の光ファイバ２１ａとが互いに突き合わされるようにガイドする。

ジョイントスリーブ３０は、金属材料で形成されており、また、一方に蓋部３１を有し他方に凹部３２を有する筒状に形成される。蓋部３１は、平坦に形成されており、スタブ２１の光ファイバ２１ａからの光が通る孔３１ａを有し、ブッシュ２３がＹＡＧレーザ溶接等により固定される。凹部３２には、後述のレンズキャップ１３が挿入され同様にＹＡＧレーザ溶接等により固定される。

光モジュール１０が実装されるＯＳＡ１にジョイントスリーブ３０を設けることによって、ブッシュ２３（スリーブ部２０）を固定する前にブッシュ２３（スリーブ部２０）を蓋部３１の平坦面上でスライドさせて、スタブ２１の光ファイバ２１ａと光モジュール１０のＰＤ１１との間の光学的調芯を行うことができる。また、ジョイントスリーブ３０にレンズキャップ１３を固定する前に、レンズキャップ１３に対してジョイントスリーブ３０を軸方向にスライドさせることによって、スタブ２１の光ファイバ２１ａと後述のレンズ１３ａとの距離を調整することができる。なお、ジョイントスリーブ３０は、スリーブ部２０と一体に形成されていても良く、また、光モジュール１０に対して取り付けるときに、レンズキャップ１３ではなく、後述のステム部材１２に直接溶接するようにしてもよい。

次に、光モジュール１０について説明する。光モジュール１０は、例えば、ステム部材１２に光電変換機能を有するＰＤ１１を実装し、当該実装部よりガラス封止されたリード１４を導出し、レンズ１３ａを取り付けたレンズキャップ１３を装着してＰＤ１１等を封止したものである。
ＰＤ１１は、アバランシェフォトダイオードやＰＩＮ型フォトダイオード等の半導体受光素子である。

ステム部材（以下、ステムという）１２は、ＰＤ１１を実装すると共にリード１４を導出する金属製の中央部に位置するステム本体部（以下、本体部）１２ａと、レンズキャップ１３を装着する金属製の外周部側に位置するレンズキャップ装着部（以下、装着部）１２ｂとの間に絶縁部材からなる絶縁部１２ｃを介在させた円板状の部材である。本体部１２ａ上には、抵抗やコンデンサ、あるいはＰＤ１１が生成した微弱な電気信号を増幅する前置増幅器等の素子が実装される場合もある。これら素子は互いに又は本体部１２ａもしくは後述の信号リード１４ｂとワイヤリングにより接続される。ＰＤ１１以外の素子やワイヤは図示を省略する。なお、ステム１２の詳細については後述する。

レンズキャップ１３は、金属材料を用いて筒状に形成されており、レンズ１３ａを保持するレンズ保持部１３ｂを有する。レンズ１３ａは、例えば、ボールレンズであり、スタブ２１の光ファイバ２１ａからの光をＰＤ１１に集光する。レンズ保持部１３ｂは、光軸と交差する面に沿って延び、その中央に開口１３ｃを有する。この開口１３ｃに、低融点ガラス等の封止ガラスによって、レンズ１３ａが固定される。レンズキャップ１３は、ステム１２と協働してＰＤ１１を気密封止するキャップとして機能する。レンズキャップ１３の開口端は、ステム１２の装着部１２ｂに抵抗溶接にて固定される。レンズキャップ１３とステム１２とで内部に素子搭載空間を有するＣＡＮパッケージを構成する。
なお、レンズ１３ａは省略される場合もあり、その場合には、対象とする光の波長領域で透明な窓材を開口１３ｃに封着することが好ましい。

リード１４は、導電金属材料で形成され、少なくとも一本のケースリード１４ａと、複数本の信号リード１４ｂから成る。リード１４は、それぞれ本体部１２ａに実装され、ＯＳＡ１が搭載される光トランシーバ等の装置の回路基板と電気的に接続される。信号リード１４ｂは、当該回路基板からＰＤ１１等の素子に電源及び信号を供給するか、または、素子から当該回路基板に信号を供給するためのものである。また、信号リード１４ｂは、回路基板側とは反対側の端部が光モジュール１０のパッケージの素子搭載空間内に露出または突出し、本体部１２ａと絶縁されるように、ガラス封止されている。ケースリード１４ａは、一端が本体部１２ａと直接接続され、他端が回路基板上のシグナルグラウンド（ＳＧ）に接続されており、本体部１２ａの電位をＳＧと同電位にしている。

次に、本発明の主要部に係る光モジュールのステムについて、図３及び図４を用いて更に説明する。図３は、ステムの構造を説明する図で、図３（Ａ）は平面図を示し、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の断面図で、図３（Ａ）のａ−ａ断面を示している。図４は、ステムとリードの関係を説明する図である。

ステムには、素子を実装する領域と、ワイヤリングを行う領域を形成する必要がある。また実装した素子を気密封止して素子の経年劣化を抑えるために、レンズキャップを封止接続する領域が必要となる。実装領域がステムの中心領域に存在し、封止接続領域がステムの外周領域に存在することから、本発明では、上述の要求を満たしつつＦＧ電位部分とＳＧ電位部分を電気的に独立させるために、中心領域と外周領域の間に絶縁部材を介在させる。

ステム１２は、例えば、図３に示すように、中心領域にある円板状の本体部１２ａと、外周領域にある環状の装着部１２ｂとの間に、環状の絶縁部１２ｃを介在させて電気的に絶縁するように構成される。本体部１２ａと装着部１２ｂには、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）といった鉄系材料、コバールといった鉄ニッケルコバルト合金系材料を用いることができる。絶縁部１２ｃには、アルミナや窒化アルミといったセラミック材料を用いることができる。

ステム１２全体の径ｄ１は５ｍｍ、本体部１２ａの径ｄ２は３ｍｍ、絶縁部の幅ｄ３は０．３ｍｍ程度に設定され、ステム１２の厚さｔは１ｍｍ程度に設定される。なお、信号リード１４ｂを挿通し固定するための挿通孔１２ｄが本体部１２ａには形成されている。
また、図４に示すように、本体部１２ａにはケースリード１４ａが抵抗溶接もしくは銀ろう付け等により直接接続される。信号リード１４ｂは、封止ガラス１２ｅを介して本体部１２ａとは絶縁された状態で実装される。ガラスを用いた封着により信号リードを実装することで、絶縁耐圧及び気密性を確保している。

このようなステム１２を光モジュール１０に用いることにより、素子実装領域（本体部１２ａ）をケースリード１４ａによりＳＧ電位に接続し、レンズキャップ封止接続領域（装着部１２ｂ）をレンズキャップ１３、光サブアセンブリの構成部（ジョイントスリーブ３０及びブッシュ２３）、及び光レセプタクル部５０を介して（図２参照）ＦＧ電位に接続したとしても、ステム１２に設けた絶縁部１２ｃによりＦＧとＳＧを絶縁することができる。

続いて、図５を用いて、本発明の他の実施例に係る光モジュールについて説明する。図５は、本発明の他の実施例に係る光モジュールを説明する部分断面斜視図で、光モジュールがＯＳＡに実装されたときの様子を示している。図５の光モジュールと図１のものが相違する点は、光モジュール１０に搭載される光デバイス１５として端面発光素子を用いている点、及び、端面発光素子を実装するサブマウント１２ｆを本体部１２ａ上に設けている点である。

ステム１２とレンズキャップ１３により形成される素子搭載空間に上述のサブマウント１２ｆを別途設けることにより、端面発光素子（光デバイス）１５を実装する領域を確保でき、本発明の光モジュールを発光モジュールとすることができ、光モジュールが搭載されるＯＳＡを送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitting Optical Sub-Assembly）として形成することができる。

また、本発明は、上述の光モジュールを搭載した光トランシーバとしての形態もとることができる。図６は、本発明の光トランシーバを説明する概略図である。図６（Ａ）は光トランシーバの外観図であり、図６（Ｂ）は光トランシーバの内部構造を説明する図で、図６（Ａ）のハウジングの図示を説明のために省略している。

光トランシーバＸは、例えば、図６（Ａ）に示すような形状を有し、光コネクタが挿入される光レセプタクル部５０を前部に備える。光トランシーバＸは、図１や図５の光モジュール１０と、これら光モジュール１０と電気的に接続される回路を搭載する回路基板５１を、導電性のハウジング５２内に搭載している。また、光トランシーバＸにおいて、光モジュール１０のステム１２の本体部１２ａは、上述のように、絶縁部１２ｃにより装着部１２ｂと電気的に絶縁されている。

ハウジング５２内の光モジュール１０の接地リード１４ａは、図６（Ｂ）に示すように、ステム１２の本体部１２ａ及び回路のグラウンド（ＳＧ）に直接接続されている。しかし、その接地リード１４ａは、ハウジング５２とは光トランシーバＸ内で絶縁されている。光モジュール１０のステム１２の装着部１２ｂは、光レセプタクル部５０等を介してハウジング５２と電気的に接続されているが、ＳＧとは光トランシーバ内において絶縁されている。光トランシーバＸ内において、ＳＧは、回路基板５１、光モジュール１０等を収納する導電性のハウジング５２とは電気的に絶縁されている。

すなわち、光モジュール１０のステム１２の本体部１２ａは、光トランシーバＸ内においてＳＧとは電気的に接続されグランド電位を提供しているが、光トランシーバＸの導電性ハウジング５２に直接接続されＦＧとなるステム１２のレンズキャップ装着部１２ｂとは絶縁されている。したがって光トランシーバＸ内ではこのＦＧとＳＧとを絶縁することができる。ステム１２の本体部１２ａと装着部１２ｂとは、光トランシーバＸ内で電気的に完全に絶縁されている。

なお、光モジュールとしての実施形態の説明で記載したように、光トランシーバＸのハウジング５２に搭載される光モジュール１０が、光レセプタクル部５０を介してＦＧに電気的に接続される導電性の光結合部（スリーブ部及びジョイントスリーブ）を有し、この光結合部と光モジュール１０のレンズキャップとがＹＡＧレーザ溶接等により固定され直接電気的に接続されている。

本発明に係る光モジュールの概略を説明する図である。 光モジュールがＯＳＡに実装され、当該ＯＳＡが光レセプタクル部に実装されたときの様子を示す断面図である。 ステムの構造を説明する図である。 ステムとリードの関係を説明する図である。 本発明の他の実施例に係る光モジュールを説明する部分断面斜視図である。 本発明に係る光トランシーバの概略を説明する図である。 従来の光モジュールの一例の概略を説明する図である。 従来の光モジュールの他の例の概略を説明する図である。

符号の説明

１…ＯＳＡ、１０…光モジュール、１１…光デバイス（ＰＤ）、１２…ステム部材、１２ａ…本体部、１２ｂ…装着部、１２ｃ…絶縁部、１２ｄ…挿通孔、１２ｅ…封止ガラス、１２ｆ…サブマウント、１３…レンズキャップ、１３ａ…レンズ、１３ｂ…レンズ保持部、１３ｃ…開口、１４…リード、１４ａ…ケースリード、１４ｂ…信号リード、１５…光デバイス、２０…スリーブ部、２１…スタブ、２１ａ…光ファイバ、２２…スリーブ、２３…ブッシュ、２３ａ…スリーブシェル保持部、２３ｂ…スタブ保持部、２３ｃ…係合部、２４…スリーブシェル、２４ａ…凹部、２４ｂ…開口、３０…ジョイントスリーブ、３１…蓋部、３１ａ…孔、３２…凹部、５０…光レセプタクル部、５１…回路基板、５２…ハウジング、Ｘ…光トランシーバ。

Claims (4)

1. ステム部材と、該ステム部材に装着したレンズキャップで形成される空間の前記ステム部材上に半導体光デバイスを搭載し、該光デバイスへ電気信号を供給する、もしくは、該光デバイスからの電気信号を導出するリードを含む複数のリードを前記ステム部材に備える光モジュールにおいて、
   前記ステム部材は、前記光デバイスを搭載しかつ前記リードを備える金属製の本体部と、
   前記レンズキャップを装着する金属製の装着部と、
   前記本体部と前記装着部とを電気的に絶縁する絶縁部と、
   を有することを特徴とする光モジュール。
2. 前記複数のリードの少なくとも一は、前記本体部に直接接続されている、請求項１に記載の光モジュール。
3. 請求項１に記載の光モジュールと、該光モジュールと電気的に接続される回路を搭載する回路基板を搭載し、導電性のハウジングを備える光トランシーバであって、
   前記複数のリードの一は前記ステム部材の本体部及び前記回路のグラウンドに直接接続されており、かつ、前記ハウジングとは前記光トランシーバ内で絶縁されており、
   前記ステム部材の装着部は、前記ハウジングと直接接続されており、かつ、前記回路のグラウンドとは前記光トランシーバ内において絶縁されている、
   ことを特徴とする光トランシーバ。
4. 前記光モジュールはさらに導電性の光結合部を有し、前記レンズキャップは前記光結合部と直接電気的に接続されている、請求項３に記載の光トランシーバ。

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