(57)【要約】【課題】光送信サブアセンブリの波長変動を抑えることができる光伝送モジュールを提供する。【解決手段】光伝送モジュール１は、光受信サブアセンブリ５と光送信サブアセンブリ３とバイメタル素子１７とを備えている。このバイメタル素子１７は、周囲の温度が所定温度よりも高温の場合に、光受信サブアセンブリ５と光送信サブアセンブリ３との少なくとも何れか一方から離間するように配置され、周囲の温度が所定の温度以下の場合には、変形によって光受信サブアセンブリ５と光送信サブアセンブリ３との両方に接触する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとを備える光伝送モジュールにおいて、
前記光送信サブアセンブリの周囲の温度が所定の温度よりも高温の場合に、前記光受信サブアセンブリと前記光送信サブアセンブリとの少なくとも何れか一方から離間し、前記光送信サブアセンブリの周囲の温度が前記所定の温度以下の場合には、前記光受信サブアセンブリと前記光送信サブアセンブリとの双方に接触するように配置されたバイメタル素子を備えたことを特徴とする光伝送モジュール。
【請求項２】
前記光受信サブアセンブリ又は前記光送信サブアセンブリの少なくとも何れか一方の表面には、前記バイメタル素子よりも圧縮性が高い第１のシート部材が設けられており、
前記バイメタル素子は、前記第１のシート部材を介して、前記光受信サブアセンブリ又は前記光送信サブアセンブリに接触することを特徴とする請求項１に記載の光伝送モジュール。
【請求項３】
前記光伝送モジュールは、前記光受信サブアセンブリと前記光送信サブアセンブリとを収容する筐体の外部に熱を放散させるための放熱部材を更に備え、
前記バイメタル素子は、
前記光送信サブアセンブリの周囲の温度が所定の温度よりも高温の場合には、前記光送信サブアセンブリと前記放熱部材との両方に接触するように配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送モジュール。
【請求項４】
前記放熱部材の表面には、前記バイメタル素子よりも圧縮性が高い第２のシート部材が設けられており、
前記バイメタル素子は、前記第２のシート部材を介して、前記放熱部材に接触することを特徴とする請求項３に記載の光伝送モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとを備える光伝送モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光伝送モジュールにおいて、光源として使用される半導体レーザダイオードは、発信波長が温度に依存するので、長距離伝送における伝送特性を安定させるために、ペルチェ素子といったような熱電変換素子で半導体レーザダイオードを加熱・冷却し半導体レーザダイオードの温度を一定させることが一般的である。例えば、下記特許文献１に記載の半導体レーザモジュールは、半導体レーザダイオードの周辺温度を検出する温度センサと、半導体レーザダイオードを冷却するための熱電子冷却素子を搭載し、この熱電子冷却素子を制御することによって半導体レーザの発信波長を安定させている。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平５−３１５６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような熱電変換素子は、高価であり、また、大きな電流を消費するので光伝送モジュールの消費電流が大きくなってしまう。また、広い動作温度範囲を要求される用途においては、光伝送モジュールは、熱電変換素子の能力不足、温度検出系を含めた温度制御系の特性ばらつき、ループ利得の有限性、各素子の非線形性などに起因する制御誤差等の影響により、波長変動が大きくなる。
【０００４】
そこで、本発明は、光送信サブアセンブリの波長変動を効率的に抑えることができる光伝送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】
【０００５】
本発明の光伝送モジュールは、光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとを備える光伝送モジュールにおいて、光送信サブアセンブリの周囲の温度が所定の温度よりも高温の場合に、光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとの少なくとも何れか一方から離間し、光送信サブアセンブリの周囲の温度が所定の温度以下の場合には、光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとの双方に接触するように配置されたバイメタル素子を備えたことを特徴とする。
【０００６】
この光伝送モジュールによれば、光送信サブアセンブリが低温になった場合に、それに伴いバイメタル素子の周囲の温度が所定の温度よりも低温となる。そして、周囲が所定の温度以下になった場合には、バイメタル素子は、変形によって光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとの両方に接触する。従って、この状態では、光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとの間の熱抵抗が低下する。そして、光受信サブアセンブリからの熱が光送信サブアセンブリに流入し易くなり、光送信サブアセンブリの温度が上昇し易くなる。このように、光送信サブアセンブリが低温になった場合に、光送信サブアセンブリの温度を上昇させ易くなる作用が働くので、光送信サブアセンブリの温度変動を効率よく抑えることができる。その結果、光送信サブアセンブリの光源の波長が温度に依存する場合にも、光送信サブアセンブリの波長変動を効率的に抑えることができる。
【０００７】
また、光受信サブアセンブリ又は光送信サブアセンブリの少なくとも何れか一方の表面には、バイメタル素子よりも圧縮性が高い第１のシート部材が設けられており、バイメタル素子は、第１のシート部材を介して、光受信サブアセンブリ又は光送信サブアセンブリに接触することが好ましい。
【０００８】
この構成によれば、シート部材が、周囲の温度に応じて変形するバイメタル素子に押され、シート部材も温度に応じて圧縮変形することになる。そして、圧縮変形されたシート部材は圧縮率に応じて熱抵抗が変化するので、光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとの間の熱抵抗を、バイメタルの周囲の温度に応じてより細かく変化させることができる。
【０００９】
また、本発明の光伝送モジュールは、光受信サブアセンブリと光送信サブアセンブリとを収容する筐体の外部に熱を放散させるための放熱部材を更に備え、バイメタル素子は、光送信サブアセンブリの周囲の温度が所定の温度よりも高温の場合には、光送信サブアセンブリと放熱部材との両方に接触するように配置されてもよい。
【００１０】
この構成によれば、光送信サブアセンブリが高温になった場合に、それに伴いバイメタル素子の周囲の温度が所定の温度よりも高温となる。この場合には、バイメタル素子は、変形によって光送信サブアセンブリと放熱部材との両方に接触する。従って、この状態では、光送信サブアセンブリと放熱部材の間の熱抵抗が低下し、光送信サブアセンブリからの熱が放熱部材に流入し易くなる。そして、放熱部材は、筐体の外部に熱を放散させるので、結局、光送信サブアセンブリの温度が下降し易くなる。このように、光送信サブアセンブリが高温になった場合に、光送信サブアセンブリの温度を下降させ易くなる作用が働くので、光送信サブアセンブリの温度変動を効率よく抑えることができる。その結果、光送信サブアセンブリの光源の波長が温度に依存する場合にも、光送信サブアセンブリの波長変動を効率よく抑えることができる。
【００１１】
また、放熱部材の表面には、バイメタル素子よりも圧縮性が高い第２のシート部材が設けられており、バイメタル素子は、第２のシート部材を介して、放熱部材に接触することが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、シート部材が、周囲の温度に応じて変形するバイメタル素子に押され、シート部材も温度に応じて圧縮変形することになる。そして、圧縮変形されたシート部材は圧縮率に応じて熱抵抗が変化するので、光受信サブアセンブリと放熱部材との間の熱抵抗を、バイメタルの周囲の温度に応じてより細かく変化させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光伝送モジュールによれば、光送信サブアセンブリの波長変動を効率的に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る光伝送モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１及び図２に示す光伝送モジュール１は、外部から光コネクタが挿入され、当該光コネクタとの間で信号光の送受信を行う装置である。この光伝送モジュールは、信号光の光源としての半導体レーザダイオード及びモニタ用フォトダイオードが実装された光送信サブアセンブリ（「ＴＯＳＡ」という）３を備えている。更に、光伝送モジュール１は、フォトダイオードといった受光素子及びフロントエンドアンプを有する光受信サブアセンブリ（「ＲＯＳＡ」という）５と、送受信回路部品７ａが実装された回路基板７とを備えている。そして、これらのＴＯＳＡ３、ＲＯＳＡ５、及び回路基板７は、筐体１１に収容されている。
【００１６】
この光伝送モジュール１の動作時においては、ＴＯＳＡ３及びＲＯＳＡ５は、両方とも発熱源になるが、特に、ＲＯＳＡ５はフロントエンドアンプを有しているので、ＴＯＳＡ３よりも高温となる。なお、ＴＯＳＡ３からの放熱は通常、レーザダイオード（1.5μm帯の場合）からの分が50mW程度であり、熱電変換素子を備える場合にはこの熱電変換素子からの分が50〜300mW程度である。一方、ＲＯＳＡ５側は消費電流は少ないが、電源電圧が大きいため、消費電力は30〜150mW程度となる。
【００１７】
このような光伝送モジュール１において、ＴＯＳＡ３に用いられる半導体レーザダイオードの発振波長には正の温度特性があり、低温では短波長側に、高温では長波長側にそれぞれ発振波長がずれる。この波長の変化を補償しＴＯＳＡ３の波長変動を抑えるためには、半導体レーザダイオードを、低温側では温め、高温側で冷やす必要がある。なお、ＴＯＳＡ３の波長のずれをある程度許容できるような用途では、低温側もしくは高温側のいずれか一方のみ補償するだけでよい場合もある。
【００１８】
このような半導体レーザダイオードの温度調整のために、ＴＯＳＡ３にはペルチェ素子といったような熱電変換素子が実装される場合もある。しかし、熱電変換素子の負荷を小さくし、消費電力を削減したり光伝送モジュール１の使用温度範囲を広げたりするためには、熱電変換素子に代えて、若しくは熱電変換素子に加えて、半導体レーザダイオードの更に効率のよい温度調整が望まれる。
【００１９】
そこで、この光伝送モジュール１においては、図３及び図４に示すように、ＴＯＳＡ３及びＲＯＳＡ５の上方には、筐体１１に接触する金属製の放熱部材１５が設けられている。この放熱部材１５は、ＴＯＳＡ３及びＲＯＳＡ５から発生する熱を仲介し筐体１１を通じて外部に放散する機能を有している。更に、この放熱部材１５とＴＯＳＡ３及びＲＯＳＡ５との間には、ＴＯＳＡ３及びＲＯＳＡ５が配列された方向に延在するバイメタル素子１７が設けられている。このバイメタル素子１７は、ＴＯＳＡ３の上方において放熱部材１５の支持部１５ａにより片持ちで支持されている。そして、バイメタル素子１７は、周囲が低温になるほど自由端部１７ａが下方のＲＯＳＡ５側へ、周囲が高温になるほど自由端部１７ａが上方の放熱部材１５側に移動するように変形する。なお、バイメタル素子１７の周囲が２５℃といった通常の温度帯においては、自由端部１７ａは、ＲＯＳＡ５及び放熱部材１５、又は後述の放熱シート２１，２２の何れにも接触していない。
【００２０】
また、バイメタル素子１７の自由端部１７ａに対応する位置において、放熱部材１５の下面には放熱シート２１（第２のシート部材）が取り付けられており、ＲＯＳＡ５の上面には放熱シート２２（第１のシート部材）が取り付けられている。また、ＴＯＳＡ３の上面と支持部１５ａとの間にも、放熱シート２３が取り付けられており、ＴＯＳＡ３は、バイメタル素子１７の変形に関わらず、バイメタル素子１７の固定端部１７ｂに放熱シート２３を介して接触している。このような位置関係において、バイメタル素子１７の周囲が所定の温度よりも低温になると、自由端部１７ａが放熱シート２２を介してＲＯＳＡ５に接触する。ここで、これらの放熱シート２１〜２３は、バイメタル素子１７よりも弾性係数が低く、自由端部１７ａが押し当てられた放熱シート２２は、バイメタル素子１７の変形量に応じて圧縮され変形する。一方、バイメタル素子１７の周囲が所定の温度よりも高温になると、自由端部１７ａが放熱シート２１を介して放熱部材１５に接触する。そして、上記同様に放熱シート２１がバイメタル素子１７の変形量に応じて圧縮され変形する。更に、これらの放熱シート２１〜２３は、圧縮率が高くなるほど熱抵抗が小さくなるという熱抵抗特性を有している。このような放熱シート２１〜２３は、例えば、λゲル（ジェルテック製シリコーン熱伝導ゲル）からなる。
【００２１】
以上のような光伝送モジュール１では、前述したように、ＲＯＳＡ５がＴＯＳＡ３よりも高温になるので、動作時には、ＲＯＳＡ５からＴＯＳＡ３への熱の伝播が発生する。ここで、バイメタル素子１７の周囲の温度（すなわち、ＴＯＳＡ３付近の温度）が低く、ＴＯＳＡ３を加熱したい場合を考える。バイメタル素子１７の周囲の温度が所定の第１の基準温度（例えば、−5〜0℃程度の温度に設定される）よりも高い場合には、バイメタル素子１７の自由端部１７ａは、放熱シート２２から離間している。このとき、バイメタル素子１７の周囲の温度が上記第１の基準温度以下になると、下方に移動したバイメタル素子１７の自由端部１７ａが、放熱シート２２に接触し押し当てられる。このことで、ＴＯＳＡ３とＲＯＳＡ５とが、バイメタル素子１７を介して接続されることになるので、ＴＯＳＡ３とＲＯＳＡ５との間の熱抵抗が低下する。すると、ＲＯＳＡ５からＴＯＳＡ３への熱の伝播が大きくなり、ＲＯＳＡ５の熱がＴＯＳＡ３の加熱に効率よく利用される。
【００２２】
更に、バイメタル素子１７は周囲の温度が低いほど下方への変形量が大きくなるので、放熱シート２２は温度が低いほど強く圧縮され、圧縮率が高くなる。ここで、放熱シート２２の熱抵抗特性によると、圧縮率が高くなるほど熱抵抗が低下するので、放熱シート２２，２３及びバイメタル素子１７を介して接続されたＴＯＳＡ３とＲＯＳＡ５との間の熱抵抗も温度低下に応じて低下する。
【００２３】
すなわち、本来であれば、ＴＯＳＡ３とＲＯＳＡ５との間の熱抵抗は、構造に依存し一定の値になるが、上記光伝送モジュール１の構成によれば、バイメタル素子１７の周囲の温度が低くなるほど熱抵抗が低下するというように、上記熱抵抗に温度係数を付与することができる。従って、バイメタル素子１７の周囲の温度（すなわち、ＴＯＳＡ３付近の温度）が低くなるほど、ＲＯＳＡ５からの熱がＴＯＳＡ３に流入し易くなり、ＴＯＳＡ３の温度が上昇し易くなるので、ＴＯＳＡ３の半導体レーザダイオードの温度変動を効率よく抑えることができる。その結果、低温側への温度変動によるＴＯＳＡ３の波長変動を抑えることができる。
【００２４】
また、ＴＯＳＡ３自体も発熱原であることから、逆に、ＴＯＳＡ３の温度が高くなり冷却が必要な場合も考えられる。ここで、バイメタル素子１７の周囲の温度（すなわち、ＴＯＳＡ３付近の温度）が高く、ＴＯＳＡ３を冷却したい場合を考える。バイメタル素子１７の周囲の温度が所定の第２の基準温度（例えば、35〜40℃程度の温度に設定される）以下の場合には、バイメタル素子１７の自由端部１７ａは、放熱シート２１から離間している。このとき、バイメタル素子１７の周囲の温度が上記第２の基準温度よりも高くなると、上方に移動したバイメタル素子１７の自由端部１７ａが、放熱シート２１に接触し押し当てられる。このことで、ＴＯＳＡ３と放熱部材１５とが、バイメタル素子１７を介して接続されることになるので、ＴＯＳＡ３と放熱部材１５との間の熱抵抗が低下し、比較的高温のＴＯＳＡ３の熱が効率よく放熱部材１５に逃がされる。そして放熱部材１５の熱は、筐体１１に伝播して最終的には筐体１１の外部に放散される。更に、バイメタル素子１７は周囲の温度が高いほど上方への変形量が大きくなるので、放熱シート２１は温度が高いほど強く圧縮され、圧縮率が高くなる。
【００２５】
従って、この構成によれば、ＴＯＳＡ３を加熱したい場合と同様に、ＴＯＳＡ３と放熱部材１５との間の熱抵抗に温度係数を付与することができる。従って、バイメタル素子１７の周囲の温度（すなわち、ＴＯＳＡ３付近の温度）が高くなるほど、ＴＯＳＡ３の熱が放熱部材１５に逃げ易くなり、ＴＯＳＡ３の温度が下降し易くなるので、ＴＯＳＡ３の半導体レーザダイオードの温度変動を効率よく抑えることができる。その結果、高温側への温度変動によるＴＯＳＡ３の波長変動を抑えることができる。
【００２６】
続いて、このような光伝送モジュール１における、バイメタル素子１７等の具体的な配置について説明する。バイメタル素子１７は、インバー（ニッケル鋼）とMn-Cu-Niからなり、長さＬ＝１０ｍｍ，幅ｂ＝３ｍｍ，高さｈ＝０．５ｍｍの寸法を有している。また、バイメタル素子１７の弾性係数E=132.3×103、湾曲係数κ=19.6×10-6/Kである。また、放熱シート２２は、３ｍｍ×４ｍｍのサイズを有し、厚さｔ＝０．５ｍｍである。また放熱シート２２の熱抵抗特性及び圧縮特性は、それぞれ、図５（ａ），（ｂ）に示す。
【００２７】
ここで、バイメタル素子１７の動作温度範囲内における周囲の温度による撓みを、放熱シート２２に非接触の状態から、放熱シート２２を10％圧縮する位置まで制御する場合を考える。図６に示すように、バイメタル素子１７は、周囲の温度が２５℃のとき、自由端１７ａと放熱シート２２との間に、0.1264mmの間隙が生じるように配置されているものとすると、−２０〜２５℃の温度変化によるバイメタル素子１７の自由端部１７ａの変位ＤＦは、
DF=κ・ΔT・L2／h
より、DF=0.1764mmとなり、その時のバイメタルの変形に伴う荷重Pは、
DP=4・P・L3／E・b・h3
より、P=2.1879Nとなる（図７参照）。
（但し、
DF：温度変化による偏位(mm)，DP：荷重による撓み(mm)
κ：湾曲係数(×10-6/K)，ΔT：温度差(℃)，
P：荷重(N)，E：弾性係数(N/mm2)  ）
【００２８】
また、放熱シート２２のサイズが３ｍｍ×４ｍｍで厚さｔ＝０．５ｍｍであるので、この放熱シート２２を0.05mm圧縮させるために必要な荷重は、図５（ｂ）のグラフより0.08N/mm2×12mm2=0.96Nである。従って、バイメタル素子１７周囲の温度が−２０℃のときには、バイメタル素子１７の自由端１７ａの偏位によって放熱シートが必要量（10%）だけ圧縮される。
【００２９】
なお、ここでは、ＲＯＳＡ５上の放熱シート２２の配置について説明したが、放熱部材１５上の放熱シート２１についても、同様の考察により配置を決定することができる。
【００３０】
続いて、比較のため、上記のようなバイメタル素子１７を備えていない光伝送モジュールのＴＯＳＡ及びＲＯＳＡの温度について説明する。図８は、横軸に光伝送モジュールのケース温度Ｔｃ、縦軸にＴＯＳＡの温度Ｔｔｏｓａとケース温度Ｔｃとの差（Ｔｔｏｓａ−Ｔｃ）、及びＲＯＳＡの温度Ｔｒｏｓａとケース温度Ｔｃとの差（Ｔｒｏｓａ−Ｔｃ）を取ったグラフである。なお、この例の光伝送モジュールは、ＴＯＳＡに熱電変換素子を実装していないものである。このグラフによれば、ＴＯＳＡ，ＲＯＳＡともに発熱体であることから、いずれもケース温度Ｔｃよりも温度が高いことが分る。放熱設計にも依存するが、この例の場合は、ＴＯＳＡよりもＲＯＳＡの方が３．４〜３．６℃ほど高温である。
【００３１】
このような光伝送モジュールについて、ＴＯＳＡとＲＯＳＡとの熱容量が等しいと仮定し、上記のようなバイメタル素子１７を加えてＴＯＳＡとＲＯＳＡとの間の熱抵抗を十分に小さくした場合には、ＴｔｏｓａとＴｒｏｓａとがほぼ平均化されると考えられる。従って、グラフより、Ｔｃが低温である場合にも、Ｔｔｏｓａを約１．７〜１．８℃高い温度で維持できることになり、その分、低温側への温度変動によるＴＯＳＡの波長変動が抑えられることが判る。また、ＲＯＳＡの熱容量がＴＯＳＡに比較して大きい場合には、このような効果が更に顕著になる。
【００３２】
以上説明したように、光伝送モジュール１によれば、ＴＯＳＡ３の半導体レーザダイオードの温度変動を効率よく抑えることができ、その結果、温度変動によるＴＯＳＡ３の波長変動を抑えることができる。また、ＴＯＳＡ３の温度変動の抑制が効率よく行われることから、光伝送モジュール１の使用温度範囲を広げることも可能となる。また、ＴＯＳＡ３に熱電変換素子が実装される場合にも、熱電変換素子の負荷を小さくし消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る光伝送モジュールの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の光伝送モジュールの断面図である。
【図３】図１の光伝送モジュールにおける要部の配置を示す斜視図である。
【図４】図３に示す要部の側面図である。
【図５】（ａ）は、放熱シートの熱抵抗特性を示す表であり、（ｂ）は、放熱シートの圧縮特性を示すグラフである。
【図６】図１の光伝送モジュールにおける要部の配置を示す側面図である。
【図７】バイメタル素子の撓みの状態を示す図である。
【図８】他の光電送モジュールのＴＯＳＡ及びＲＯＳＡの温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１…光伝送モジュール、３…光送信サブアセンブリ、５…光受信サブアセンブリ、１５…放熱部材、１７…バイメタル素子、２１…放熱シート（第２のシート部材）、２２…放熱シート（第１のシート部材）、２３…放熱シート（第１のシート部材）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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