(57)【要約】【課題】光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる光モジュールの放熱構造、及び光通信モジュールを提供する。【解決手段】放熱構造１は、半導体レーザ素子を搭載した光モジュール２に設けられる。放熱構造１は、一対の伝熱部材１１及び１２と、フレーム部材１３とを備える。伝熱部材１１及び１２は、光モジュール２のステム２１の側面２１ａに沿った受熱面１１ａ及び１２ａをそれぞれ有し、ステム２１を挟んで対向配置されている。フレーム部材１３は、伝熱部材１１及び１２同士を互いに連結する。そして、フレーム部材１３の熱膨張率は、伝熱部材１１及び１２並びにステム２１それぞれの熱膨張率よりも小さい。【選択図】図１
2007273497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光素子、及び該半導体光素子を搭載するステムを備える光モジュールの放熱構造であって、
前記ステムの側面に沿った受熱面を有し、前記ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、
前記複数の伝熱部材同士を互いに連結するフレーム部材と
を備え、
前記フレーム部材の熱膨張率が、前記伝熱部材及び前記ステムそれぞれの熱膨張率よりも小さいことを特徴とする、光モジュールの放熱構造。
【請求項２】
前記ステムが円板状であり、
前記複数の伝熱部材の前記受熱面が、前記ステムの側面に沿った曲面状に形成されており、前記受熱面の曲率半径が、前記ステムの側面の曲率半径と同じか或いは前記ステムの側面の曲率半径よりも一割以下の差で小さいことを特徴とする、請求項１に記載の光モジュールの放熱構造。
【請求項３】
一対の前記伝熱部材が前記ステムを挟んで対向配置されており、
前記フレーム部材が、前記一対の伝熱部材を互いに連結していることを特徴とする、請求項１または２に記載の光モジュールの放熱構造。
【請求項４】
半導体光素子、及び該半導体素子を搭載するステムを備える光モジュールと、
前記ステムの側面に沿った受熱面を有し、前記ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、
前記複数の伝熱部材を互いに連結するフレーム部材と、
前記光モジュール、前記複数の伝熱部材、及び前記フレーム部材を収容する筐体と
を備え、
前記フレーム部材の熱膨張率が、前記伝熱部材及び前記ステムそれぞれの熱膨張率よりも小さく、
少なくとも一つの前記伝熱部材が、前記筐体に熱的に接触していることを特徴とする、光通信モジュール。
【請求項５】
前記伝熱部材と前記筐体との間に設けられた放熱シートを更に備えることを特徴とする、請求項４に記載の光通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールの放熱構造、及び光通信モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式の光通信システムでは、複数の通信チャネルが同一の光伝送路においてそれぞれ異なる波長の光信号でもって通信を行う。従って、光通信モジュールには、光信号の波長が周辺温度の変化等によって過度に変動しないことが望まれる。光信号の波長が過度に変動すると、隣り合う波長の光信号同士が干渉してしまうからである。しかし、光信号を生成するレーザダイオードの発光波長は、その温度変化によって長波長側にシフトしてしまう。このため、レーザダイオードの温度変化を抑制するための様々な構成が考え出されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されたレーザモジュールでは、いわゆるバタフライ型のレーザモジュールにおいて、レーザダイオードをペルチェ素子上に搭載し、ペルチェ素子の熱電効果を利用してレーザダイオードの温度を一定に制御している。また、特許文献２に開示されたレーザダイオードモジュールや、特許文献３に記載された半導体レーザモジュールでは、レーザダイオードを内蔵するＣＡＮパッケージの外側にペルチェ素子を配置している。また、特許文献４〜６のそれぞれに開示された各モジュールでは、ＣＡＮパッケージの内部にペルチェ素子を配置し、このペルチェ素子上にレーザダイオードを搭載している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３４７７６号公報
【特許文献２】特開２００５−０５０８４４号公報
【特許文献３】特開平７−１３１１０６号公報
【特許文献４】特開２００５−３０３２４２号公報
【特許文献５】特開２００５−０８６０９４号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００３／０２１３１０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１〜６に記載された各モジュールは、いずれもペルチェ素子を利用してレーザダイオードの温度を制御している。しかしながら、光通信モジュールには、光通信装置の更なる高密度実装のために低消費電力化及び小型化が求められる。ペルチェ素子を設けると、その駆動回路も含めて比較的大きな設置スペースが必要となり、小型化を妨げる要因となる。また、ペルチェ素子において消費される電力は、レーザダイオード及びその周辺回路において消費される電力と比較して遥かに大きいので、低消費電力化を妨げる要因にもなる。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる光モジュールの放熱構造、及び光通信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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る光モジュールの放熱構造は、半導体光素子、及び該半導体光素子を搭載するステムを備える光モジュールの放熱構造であって、ステムの側面に沿った受熱面を有し、ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、複数の伝熱部材同士を互いに連結するフレーム部材とを備え、フレーム部材の熱膨張率が、伝熱部材及びステムそれぞれの熱膨張率よりも小さいことを特徴とする。
【０００８】
上記した光モジュールの放熱構造においては、フレーム部材の熱膨張率が伝熱部材及びステムそれぞれの熱膨張率よりも小さい。従って、周囲温度（環境温度）が低下して伝熱部材及びステムが収縮してもフレーム部材はそれほど収縮しないので、このフレーム部材に連結された各伝熱部材の位置はほぼ一定となる。これにより、伝熱部材の受熱面とステムの側面とが互いに離れる方向に収縮し、伝熱部材の受熱面とステムの側面との接触圧が低下する。そして、伝熱部材とステムとの接触圧が低いほど、伝熱部材とステムとの間の熱抵抗は大きくなる。従って、上記した光モジュールの放熱構造によれば、周囲温度が低いほど、半導体光素子からの熱がステムを介して伝熱部材へ伝わりにくくなるので、半導体光素子の温度は周囲温度よりも高く保たれる。
【０００９】
これとは逆に、周囲温度が上昇して伝熱部材及びステムが膨張すると、伝熱部材の受熱面とステムの側面とが互いに押し合う方向に膨張し、伝熱部材の受熱面とステムの側面との接触圧が増加する。そして、伝熱部材とステムとの接触圧が高いほど、伝熱部材とステムとの間の熱抵抗は小さくなる。従って、上記した光モジュールの放熱構造によれば、周囲温度が高いほど、半導体光素子からの熱がステムを介して伝熱部材へ伝わり易くなるので、半導体光素子の温度は周囲温度に近づくこととなる。
【００１０】
これらのように、上記した光モジュールの放熱構造によれば、複数の伝熱部材やフレーム部材といった、電力供給や制御回路を必要としない構成によって半導体光素子の温度を調整できる。従って、ペルチェ素子を利用する従来の構成と比較して、光モジュールが搭載される光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる。
【００１１】
ステムが円板状であり、複数の伝熱部材の受熱面が、ステムの側面に沿った曲面状に形成されており、受熱面の曲率半径が、ステムの側面の曲率半径と同じか或いはステムの側面の曲率半径よりも一割以下の差で小さいことを特徴としてもよい。これにより、円板状のステムに対する伝熱部材の密着性が増すので、接触圧と熱抵抗との上述した関係をより好適に実現できる。
【００１２】
また、光モジュールの放熱構造は、一対の伝熱部材がステムを挟んで対向配置されており、フレーム部材が、一対の伝熱部材を互いに連結していることを特徴としてもよい。これにより、上述した放熱構造を簡易な構成によって実現できる。なお、この光モジュールの放熱構造においては、一対の伝熱部材を一つのフレーム部材が連結してもよく、或いは、一対のフレーム部材が一対の伝熱部材の両端をそれぞれ連結してもよい。
【００１３】
また、本発明に係る光通信モジュールは、半導体光素子、及び該半導体素子を搭載するステムを備える光モジュールと、ステムの側面に沿った受熱面を有し、ステムの周囲に配置された複数の伝熱部材と、複数の伝熱部材を互いに連結するフレーム部材と、光モジュール、複数の伝熱部材、及びフレーム部材を収容する筐体とを備え、フレーム部材の熱膨張率が、伝熱部材及びステムそれぞれの熱膨張率よりも小さく、少なくとも一つの伝熱部材が、筐体に熱的に接触していることを特徴とする。これにより、半導体光素子の温度を好適に調整できるとともに、光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる。また、伝熱部材が筐体に熱的に接触しているので、光モジュールから複数の伝熱部材へ逃げた熱を、筐体を介して光通信モジュールの外部へ好適に放出できる。
【００１４】
なお、上記した光通信モジュールにおいて、伝熱部材が筐体に熱的に接触するとは、伝熱部材と筐体とが直接接触する形態のほか、筐体と同等以上の熱伝導率を有する部材を伝熱部材と筐体との間に介在させる形態や、或いは伝熱部材及び筐体のそれぞれと密着可能な放熱シート等の部材を伝熱部材と筐体との間に挟むような形態を含む。
【００１５】
また、光通信モジュールは、伝熱部材と筐体との間に設けられた放熱シートを更に備えることを特徴としてもよい。これにより、伝熱部材と筐体との間の熱抵抗を低減できるので、光モジュールからの熱を光通信モジュールの外部へより効率よく放出できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による光モジュールの放熱構造及び光通信モジュールによれば、光通信モジュールの小型化及び低消費電力化を効果的に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る光モジュールの放熱構造及び光通信モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１及び図２は、本実施形態に係る光モジュールの放熱構造１の構成を示す図である。図１は、放熱構造１の斜視図であり、図２は、放熱構造１の分解斜視図である。
【００１９】
放熱構造１は、半導体光素子を内蔵する光モジュール２において発生する熱を、該光モジュール２が搭載される装置（光通信モジュール等）の外部へ放出するための構造である。ここで、光モジュール２は、半導体光素子として例えば半導体レーザ素子（レーザダイオード）を内蔵している。なお、光モジュール２は、半導体光素子としてフォトダイオードなどの受光素子を内蔵してもよい。また、本実施形態において放熱対象となる光モジュール２はＣＡＮ型のパッケージを有する光モジュールであって、半導体光素子を搭載するための円板状のステム２１と、ステム２１上において半導体光素子を覆う金属製の円筒部２３とを有する。ステム２１には、レーザダイオードへの駆動電流の供給（または、フォトダイオードからの信号電流の取り出し）等に用いられる複数のリードピン２２が、一部のリードピン２２を除き該ステム２１を貫通して設けられている。
【００２０】
放熱構造１は、複数（本実施形態では一対）の伝熱部材１１及び１２と、フレーム部材１３とを備える。フレーム部材１３は、本実施形態においては矩形パイプの形状を有する。伝熱部材１１及び１２は、ステム２１とほぼ同程度の大きさのブロック状の部材であり、光モジュール２のステム２１の周囲に並んで配置されている。なお、本実施形態では、伝熱部材１１及び１２が対になっているため、伝熱部材１１及び１２はステム２１を挟んで対向配置されている。
【００２１】
伝熱部材１１及び１２は、ステム２１の側面２１ａに沿った受熱面１１ａ及び１２ａをそれぞれ有する。受熱面１１ａ及び１２ａは、ステム２１の側面２１ａに沿った曲面状に形成されている。図１に示すように、放熱構造１と光モジュール２とは、受熱面１１ａ及び１２ａに囲まれた空間にステム２１が嵌合される位置関係にある。なお、受熱面１１ａ及び１２ａとステム２１の側面２１ａとの間には、放熱シートやシリコングリース等の放熱用部材は介在しない。
【００２２】
より好ましくは、受熱面１１ａ及び１２ｂの曲率半径が、ステム２１の曲率半径と同じか、或いはステム２１の側面２１ａの曲率半径よりも僅かに小さい（具体的には、側面２１ａの曲率半径の一割以下の差で小さい）とよい。そして、放熱構造１が温度上昇した際に、伝熱部材１１及び１２がステム２１を締め付ける仕組みになっているとよい。
【００２３】
また、伝熱部材１１及び１２は、受熱面１１ａ及び１２ａとは反対側に放熱面１１ｂ及び１２ｂをそれぞれ有する。放熱面１１ｂ及び１２ｂは、放熱構造１及び光モジュール２が搭載される装置（光通信モジュール等）の筐体等に直接または放熱シート等を介して接触し、光モジュール２において発生した熱を該筐体へ伝えるための面である。なお、放熱面１１ｂ及び１２ｂは、接触する筐体等との接触面積を確保するために平坦であることが好ましいが、接触する筐体等の形状に応じた起伏を有していてもよい。
【００２４】
フレーム部材１３は、伝熱部材１１及び１２同士を互いに連結するための部材である。本実施形態では、環状のフレーム部材１３が、一対の伝熱部材１１及び１２を互いに連結している。具体的には、環状のフレーム部材１３の一部が伝熱部材１１内を貫通しており、フレーム部材１３の他の一部が伝熱部材１２内を貫通している。また、フレーム部材１３は、伝熱部材１１及び１２の一方の端面（一端）１１ｃ及び１２ｃから露出した棒状の部分と、伝熱部材１１及び１２の他方の端面（他端）１１ｄ及び１２ｄから露出した別の棒状の部分とを有する。そして、これらの棒状の部分は伝熱部材１１及び１２の並設方向に延びている。
【００２５】
また、フレーム部材１３を構成する材質は、伝熱部材１１及び１２並びにステム２１を構成する材質よりも熱膨張率（線膨張係数）が小さい。具体的には、フレーム部材１３は例えば熱膨張率が極めて小さなスーパーインバー（Super Invar、不変鋼ともいう：熱膨張率は０．８ｐｐｍ程度）を主に含んで構成されるとよい。また、伝熱部材１１及び１２は、例えば高熱伝導性の樹脂（ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂など：熱膨張率は１２〜２６ｐｐｍ程度）を主に含んで構成されるとよい。なお、ステム２１は、一般的にはコバール材（ニッケル及びコバルトを鉄に配合した合金：熱膨張率は５ｐｐｍ程度）といった低熱膨張率の金属材料からなる。
【００２６】
なお、上記構成を有する放熱構造１は、いわゆるインサートモールド技術によって容易に製造できる。すなわち、フレーム部材１３を鋳出成型用の金型に収め、伝熱部材１１及び１２となる樹脂をこの金型内に流し込んで硬化させることにより、伝熱部材１１及び１２とフレーム部材１３とが一体化された放熱構造１を容易に製造できる。
【００２７】
続いて、上述した放熱構造１及び光モジュール２を備える光通信モジュールについて説明する。図３〜６は、本実施形態の光通信モジュール１０の構成を示す図である。これらのうち、図３は、光通信モジュール１０の外観を示す斜視図である。また、図４は、光通信モジュール１０の詳細な構成を示す分解斜視図である。また、図５は、光通信モジュール１０における放熱構造１付近の構成を拡大して示す拡大斜視図である。なお、この図５においては、理解を容易にするため、光通信モジュール１０のカバー５３（後述）が外された状態を示している。また、図６は、図５のＩ−Ｉ線に沿った光通信モジュール１０の拡大断面図である。
【００２８】
本実施形態の光通信モジュール１０は、光通信においてプラガブル光データリンクとして採用されるプラガブルトランシーバであって、半導体レーザ素子を搭載した光（送信）モジュール２、及び受光素子を搭載した光（受信）モジュール３の双方を備え、光ネットワークを介して光信号を送受信することができる。光通信モジュール１０は、ホスト機器のケージ（スロット）内に挿抜自在に挿入されることができ、ケージ（スロット）内に配置されたホストコネクタに着脱自在に接続される。
【００２９】
光通信モジュール１０は、図４に示すように、放熱構造１と、光モジュール２及び３と、光モジュール２の半導体レーザ素子及び光モジュール３の受光素子と電気的に接続された回路基板４と、光モジュール２及び３並びに回路基板４を収容する筐体５とを備える。
【００３０】
筐体５は、光通信モジュール１０の基本骨格を成す枠材５１と、光通信モジュール１０の上面壁を構成すると共に回路基板４の放熱を行う放熱板５２と、光通信モジュール１０の底面壁５３ａ及びこの底面壁５３ａに直交する一対の側面壁５３ｂ，５３ｃを有するカバー５３とを含んで構成されている。枠材５１は例えば樹脂製であり、カバー５３は例えば金属製である。
【００３１】
枠材５１は、光モジュール２の半導体レーザ素子と光結合される光コネクタ、及び光モジュール３の受光素子と光結合される光コネクタ（ともに不図示）を着脱可能に受容するレセプタクル５４と一体的に形成されている。なお、レセプタクル５４の外側面には、光通信モジュール１０の挿抜を容易にするためのベイル（取手）５７及びアクチュエータ５８が取り付けられる。また、枠材５１の中央には開口部５１ａが形成されている。放熱板５２は回路基板４側に突き出す厚肉部５２ａを有し、この厚肉部５２ａが枠材５１の開口部５１ａ内に挿入され、枠材５１に固定されている。放熱板５２の厚肉部５２ａは回路基板４に接触しており、放熱板５２は、回路基板４に実装された電子部品４１等からの熱を光通信モジュール１０の外部へ放出する。
【００３２】
回路基板４の前端部には、光モジュール２及び３のそれぞれに突設されたリードピン２２及び３２がはんだ等によって固定されている。また、回路基板４の後端部は、ホストコネクタに嵌合するカードエッジ部（カードエッジコネクタ）４ａとなっている。光モジュール２及び３並びに回路基板４は、枠材５１に固定されている。そして、光モジュール２及び３は、レセプタクル５４の所定の位置に配置された状態で、タブプレート５６により固定されている。
【００３３】
筐体５の内部において、放熱構造１は、図１に示した態様でもって光モジュール２の周囲に配置されている。なお、本実施形態では半導体レーザ素子を搭載する光モジュール２に放熱構造１を設けているが、受光素子を搭載する光モジュール３に同様の放熱構造を設けても良く、或いは光モジュール２及び３の双方に同様の放熱構造を設けても良い。
【００３４】
また、放熱構造１の伝熱部材１１及び１２は、筐体５と熱的に接触している。すなわち、伝熱部材１１及び１２は、例えば筐体５と直接接触している。或いは、筐体５と同等以上の熱伝導性を有する部材が伝熱部材１１及び１２と筐体５との間に介在している。或いは、伝熱部材１１及び１２と筐体５との双方に密着可能な部材が伝熱部材１１及び１２と筐体５との間に挟まれている。例えば、本実施形態の光通信モジュール１０は、図６に示すように、伝熱部材１１の放熱面１１ｂとカバー５３の底面壁５３ａとの間に放熱シート９ａを備えている。放熱シート９ａは、熱伝導性のよいシート状の部材の両面に粘着物質が塗布された構造を有しており、放熱面１１ｂ及び底面壁５３ａのそれぞれに密着して設けられている。放熱シート９ａは、一般のプラスチック材料よりも熱伝導性が高いゲル状の粘弾性物質によって構成されており、底面壁５３ａや放熱面１１ｂの表面に存在する微小な凹凸に沿って該粘弾性物質が底面壁５３ａや放熱面１１ｂに密着することにより、伝熱に寄与する面積を拡大し、熱伝達量の増大に寄与する。また、光通信モジュール１０は、伝熱部材１２の放熱面１２ｂと放熱板５２との間に放熱シート９ｂを備えている。放熱シート９ｂは、放熱シート９ａと同様の構造を有しており、放熱面１２ｂ及び放熱板５２のそれぞれに密着して設けられている。
【００３５】
次に、光通信モジュール１０が放熱構造１を備えることによる作用効果について説明する。本実施形態の放熱構造１においては、フレーム部材１３の熱膨張率が伝熱部材１１，１２及びステム２１それぞれの熱膨張率よりも小さい。従って、光通信モジュール１０の周囲温度が低下して伝熱部材１１，１２及びステムが収縮してもフレーム部材１３はそれほど収縮せず、このフレーム部材１３に連結された各伝熱部材１１，１２の位置（詳細には、伝熱部材１１，１２とフレーム部材１３との結合点の位置）はほぼ一定となる。これにより、伝熱部材１１，１２及びステム２１は、受熱面１１ａ，１２ａと側面２１ａとが互いに離れる方向にそれぞれ収縮する。従って、周囲温度が低下すると、伝熱部材１１，１２の受熱面１１ａ，１２ａとステム２１の側面２１ａとの接触圧が低下し、さらに低温になると部分的に隙間が生じる。
【００３６】
逆に、光通信モジュール１０の周囲温度が上昇して伝熱部材１１，１２及びステム２１が膨張すると、伝熱部材１１，１２及びステム２１は、受熱面１１ａ，１２ａと側面２１ａとが互いに押し合う方向にそれぞれ膨張する。従って、周囲温度が上昇すると、伝熱部材１１，１２の受熱面１１ａ，１２ａとステム２１の側面２１ａとの接触圧が増加する。
【００３７】
ここで、図７は、光通信モジュール１０の周囲温度（環境温度、単位［℃］）と伝熱部材１１，１２及びステム２１の接触圧（単位［ＭＰａ］）との相関の典型例を示すグラフである。なお、図７は、伝熱部材１１，１２に高熱伝導性ＰＰＳ樹脂を用い、フレーム部材１３にスーパーインバーを用い、ステム２１にコバール材を使用した場合の計算結果である。
【００３８】
図７に示すように、本計算例では２５℃付近で伝熱部材１１，１２とステム２１とが互いに接触し、以降、温度上昇に伴い両者間の接触圧が線形に増加していることがわかる。このように、伝熱部材１１，１２とステム２１とが互いに接触した状態であれば、その接触圧は周囲温度に比例して上下する。なお、この計算結果は、２５℃より低い周囲温度では伝熱部材１１，１２とステム２１とが互いに離れるものとして算出されているが、受熱面１１ａ，１２ａの曲率半径をステム２１の側面２１ａの曲率半径よりも小さくし、伝熱部材１１，１２の形状による弾性効果を利用することによって、接触状態と非接触状態との境界をより緩やかな挙動にすることもできる。また、本実施形態のようにステム２１が円板状である場合、その側面２１ａに対する伝熱部材１１，１２の受熱面１１ａ，１２ａの僅かな滑りを考慮しても、これらの接触圧はほぼ周囲温度に比例する。
【００３９】
また、図８は、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の接触圧（単位［ＭＰａ］）と熱抵抗（単位［℃／Ｗ］）との相関の典型例を示すグラフである。なお、この図８においても、伝熱部材１１，１２、フレーム部材１３、及びステム２１には図７と同様の材料を使用している。
【００４０】
図８に示すように、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の接触圧が大きくなるほど、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の熱抵抗は小さくなる。この現象は、次のように説明できる。すなわち、伝熱部材１１，１２の受熱面１１ａ，１２ａ、及びステム２１の側面２１ａは、平らに加工されていても微視的には微細な凹凸が存在する。従って、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の熱の伝達は、この微細な凹凸同士の直接的な接触と、該凹凸によって生じた空間内の空気を介した熱伝達とによって行われ、前者が支配的となる。そして、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の接触圧が大きくなるほど、互いの凹凸が変形して接触面積が増す。
【００４１】
一般に、熱抵抗は、接触圧の−０．９５乗に比例して減少することが知られている。接触による熱抵抗をＲｓ、空気の対流による熱抵抗をＲｇ、これらを合わせた熱抵抗をＲとすると、次の数式（１）が成り立つ。
（１／Ｒ）＝（１／Ｒｓ）＋（１／Ｒｇ）  …（１）
また、熱抵抗Ｒｓ及びＲｇは、
Ｒｓ＝Ｂ×Ｐ−０．９５／Ａ  …（２）
Ｒｇ＝Ｃ×Ｐ−０．０９７／Ｄ  …（３）
と表すことができる。但し、式（２），（３）において、Ｂ，Ｃ，Ｄは接触物の硬さ及び表面粗さ、接触面同士の平均距離、対流する気体の熱伝導率等からなる定数であり、Ａは対向面積であり、Ｐは接触圧である。上式（２），（３）から、接触による熱抵抗Ｒｓは空気の対流による熱抵抗Ｒｇよりも十分に大きいことがわかる。従って、（１）式より、総合的な熱抵抗Ｒは接触による熱抵抗Ｒｓによって近似できる。
【００４２】
このように、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の接触圧は周囲温度によって変化し、また、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の接触圧及び熱抵抗は、一定の相関を有する。すなわち、光通信モジュール１０の周囲温度が低いほど、伝熱部材１１，１２とステム２１との接触圧が低くなり、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の熱抵抗が大きくなるので、半導体レーザ素子からの熱がステム２１を介して伝熱部材１１，１２へ伝わりにくくなり、半導体レーザ素子の温度は周囲温度よりも高く保たれる。逆に、光通信モジュール１０の周囲温度が高いほど、伝熱部材１１，１２とステム２１との接触圧が高くなり、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の熱抵抗が小さくなるので、半導体レーザ素子からの熱がステム２１を介して伝熱部材１１，１２へ伝わり易くなり、半導体レーザ素子の温度は周囲温度に近づくこととなる。
【００４３】
図９は、半導体レーザ素子の駆動電流を一定とした場合における、光通信モジュールの筐体温度（すなわち周囲温度に近い温度）とステム温度（すなわち半導体レーザ素子近傍の温度）との関係を示すグラフである。図９において、グラフＧ１は本実施形態の放熱構造１を備える場合のグラフであり、グラフＧ２は本実施形態の放熱構造１やペルチェ素子等の温度制御手段を備えない場合のグラフである。説明を容易にするため、温度上昇に伴う半導体レーザ素子の発光効率の低下に起因する発熱量の増大による影響については省略している。
【００４４】
放熱構造やペルチェ素子を備えない場合（グラフＧ２）、半導体レーザ素子の発熱によって筐体温度とステム温度との間に約３℃の温度差が生じるが、筐体温度とステム温度とは全温度範囲（−４０℃〜８５℃）に亘ってほぼ近い値となる。従って、周囲温度が−４０℃から８５℃まで変化した場合の半導体レーザ素子の温度変化幅ΔＴｂは、約１２５℃となる。
【００４５】
これに対し、本実施形態の放熱構造１を備える場合（グラフＧ１）、或る区間Ａ（本例では０℃〜４５℃の間）においては、グラフの傾き（筐体温度の単位変化幅に対するステム温度の変化率）が大幅に緩和されている。これは、放熱構造１の上述した作用によって、伝熱部材１１，１２とステム２１との間の熱抵抗が周囲温度に応じて変化することによるものである。また、区間Ａより高温の区間Ｂ（本例では４５℃〜８５℃の間）においては、グラフＧ１の傾きは、グラフＧ２の傾きとほぼ一致している。区間Ｂにおいては、伝熱部材１１，１２及びステム２１の熱膨張によって、双方が熱伝導的に一体と見なせるまでに接触圧が高くなるためである。また、区間Ａより低温の区間Ｃ（本例では−４０℃〜０℃）においては、グラフＧ１がほぼ一定の温度差（約２５℃）を保ってグラフＧ２に追随している。区間Ｃにおいては、伝熱部材１１，１２及びステム２１の収縮によって双方の間に実質的に隙間があくためである。図９に示した例では、本実施形態の放熱構造１を備える場合、半導体レーザ素子の温度（ステム２１の温度）の温度変化幅ΔＴａは９５℃であり、温度制御手段を備えない場合の温度変化幅ΔＴｂに対して２４％もの改善が認められる。
【００４６】
半導体レーザ素子の温度（ステム２１の温度）と周囲温度（筐体５の温度）との差は、半導体レーザ素子からの発熱量と、半導体レーザ素子と筐体５との間の熱抵抗及び発熱量とによって決まる。本実施形態では、この熱抵抗の一部となるステム２１と伝熱部材１１，１２との間の熱抵抗を、周囲温度の変化を利用して受動的に変化させている。これにより、低温環境下では放熱性を低下させて半導体レーザ素子の温度を上昇させ、高温環境下では放熱性を高めて半導体レーザ素子の温度上昇を抑えることができる。その結果、上述したように半導体レーザ素子の温度変化幅ΔＴａが小さくなり、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長の変動幅を小さくできる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態の放熱構造１及び光通信モジュール１０によれば、複数の伝熱部材１１，１２やフレーム部材１３といった、電力供給や制御回路を必要としない構成によって光モジュール２からの放熱量を調整できる。従って、半導体レーザ素子の温度を好適に調整できるとともに、ペルチェ素子を利用する従来の構成と比較して、光モジュール２が搭載される光通信モジュール１０の小型化、低消費電力化、及び低コスト化を効果的に実現できる。
【００４８】
なお、ＷＤＭ方式の中でも、ＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）方式では隣接するチャネル間の波長間隔が比較的短く（例えば０．８ｎｍ）、半導体レーザ素子の温度をほぼ一定（例えば３０℃）にする必要がある。これに対し、ＣＷＤＭ（Coarse Wavelength Division Multiplexing）方式では、隣接するチャネル間の波長間隔がＤＷＤＭ方式よりも長いので（例えば２０ｎｍ）、半導体レーザ素子の温度変化幅を８５℃程度に収めることにより、隣接するチャネル間の干渉を抑えて好適に通信できる。従って、図９に示したような特性を示す本実施形態の放熱構造１は、ＣＷＤＭ方式に最も適している。また、ＤＷＤＭ方式のように半導体レーザ素子の温度変化幅を更に小さく抑える必要がある場合には、本実施形態の放熱構造１とペルチェ素子による温度制御とを併用するとよい。一般的に、ペルチェ素子は二つの電極間の温度差が５０℃を超えると制御が困難となる。このような場合にペルチェ素子と放熱構造１とを併用すれば、より幅広い周囲温度範囲に亘って半導体レーザ素子の温度を制御できる。また、要求される周囲温度範囲が広くない場合でも、ペルチェ素子と放熱構造１とを併用することによって、ペルチェ素子の負荷を軽減することができ、光通信モジュール１０の小型化及び低消費電力化に寄与できる。
【００４９】
また、本実施形態のように、ステム２１が円板状であり、伝熱部材１１，１２の受熱面１１ａ，１２ａが、ステム２１の側面２１ａに沿った曲面状に形成されており、受熱面１１ａ，１２ａの曲率半径が、ステム２１の側面２１ａの曲率半径と同じか或いはステム２１の側面２１ａの曲率半径よりも一割以下の差で小さいことが好ましい。これにより、円板状のステム２１に対する伝熱部材１１，１２の密着性が増すので、接触圧と熱抵抗との上述した関係をより好適に実現できる。
【００５０】
また、本実施形態のように、一対の伝熱部材１１，１２がステム２１を挟んで対向配置されており、フレーム部材１３が、一対の伝熱部材１１，１２を互いに連結してもよい。これにより、本発明に係る放熱構造の一形態を簡易な構成によって実現できる。
【００５１】
また、本実施形態のように、光通信モジュール１０は、伝熱部材１１，１２と筐体５との間に設けられた放熱シート９ａ，９ｂを備えることが好ましい。これにより、伝熱部材１１，１２と筐体５との間の熱抵抗を低減できるので、光モジュール２からの熱を光通信モジュール１０の外部へより効率よく放出できる。また、筐体５の寸法誤差や光モジュール２の調心誤差などの寸法ばらつきを吸収しつつ、安定した放熱経路を得ることができる。
【００５２】
本発明による光モジュールの放熱構造及び光通信モジュールは、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、半導体レーザ素子を搭載した光モジュール２（レーザモジュール）に、本発明の放熱構造を適用している。本発明の放熱構造は、これ以外にも、例えば受光素子を搭載した光モジュール３にも適用できる。この場合、光モジュール内部の温度範囲を周囲温度範囲よりも小さくでき、受光素子の温度変化による出力特性の変動を抑制できる。或いは、従来と同等の出力特性を維持しつつ、より広い周囲温度範囲での動作を可能にできる。
【００５３】
また、上記実施形態では、本発明の放熱構造の一例として、一対の伝熱部材及び一つのフレーム部材を備える構成について説明したが、本発明の放熱構造は、３つ以上の伝熱部材を備えてもよく、複数のフレーム部材を備えてもよい。これらの伝熱部材をステムの周囲に配置してフレーム部材で連結することにより、上記実施形態の作用効果を好適に得ることができる。
【００５４】
また、上記実施形態では、一対の伝熱部材のそれぞれが筐体と熱的に接触しているが、本発明の放熱構造においては、複数の伝熱部材のうち少なくとも一つの伝熱部材が筐体と熱的に接触することによって、半導体光素子からの熱を光通信モジュールの外部へ好適に放出できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本実施形態に係る光モジュールの放熱構造の構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る光モジュールの放熱構造の構成を示す分解斜視図である。
【図３】図３は、光通信モジュールの外観を示す斜視図である。
【図４】図４は、光通信モジュールの詳細な構成を示す分解斜視図である。
【図５】図５は、光通信モジュールにおける放熱構造付近の構成を拡大して示す拡大斜視図である。
【図６】図６は、図５のＩ−Ｉ線に沿った光通信モジュールの拡大断面図である。
【図７】図７は、光通信モジュールの周囲温度と伝熱部材及びステムの接触圧との相関の典型例を示すグラフである。
【図８】図８は、伝熱部材とステムとの間の接触圧と熱抵抗との相関の典型例を示すグラフである。
【図９】図９は、半導体レーザ素子の駆動電流を一定とした場合における、光通信モジュールの筐体温度（すなわち周囲温度に近い温度）とステム温度（すなわち半導体レーザ素子近傍の温度）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１…放熱構造、２…光（送信）モジュール、３…光（受信）モジュール、４…回路基板、５…筐体、６…タブプレート、７…ベイル、８…アクチュエータ、９ａ，９ｂ…放熱シート、１０…光通信モジュール、１１，１２…伝熱部材、１１ａ，１２ａ…受熱面、１１ｂ，１２ｂ…放熱面、１３…フレーム部材、２１…ステム、２２…リードピン、２３…円筒部、４１…電子部品、５１…枠材、５２…放熱板、５３…カバー、５４…レセプタクル。
【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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【図９】
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