(57)【要約】【課題】筐体内に配置された温度センサの温度と周囲温度との差の変動を抑え、周囲温度をより精度よく推定できる光通信モジュールを提供する。【解決手段】光通信モジュール１は、レーザダイオードなどの半導体光素子３１を内蔵する光機能部（サブアセンブリ）３と、光機能部３の外部に配置された温度センサ５１と、光機能部３及び温度センサ５１を収容する筐体２と、温度センサ５１と筐体２との間に配設されたバイメタル素子７と、バイメタル素子７と筐体２との間に配設された放熱シート８とを備える。温度センサ５１は、電子部品５に内蔵されており、電子部品５及び光機能部３は配線基板４に実装されている。筐体２内部の温度が上昇すると、バイメタル素子７の基準状態からの撓みが大きくなって放熱シート８の圧縮率が増大し、筐体２と温度センサ５１との間の熱抵抗値が小さくなる。【選択図】  図１
2007194502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光素子を有する光機能部と、
前記光機能部の外部に配置された温度センサと、
前記光機能部及び前記温度センサを収容する筐体と、
前記温度センサと前記筐体との間の空間に配設されたバイメタル素子と、
前記温度センサと前記バイメタル素子との間、及び前記バイメタル素子と前記筐体との間のうち少なくとも一方に配設された放熱シートと
を備えることを特徴とする、光通信モジュール。
【請求項２】
前記光機能部が、その内部に第２の温度センサを更に有することを特徴とする、請求項１に記載の光通信モジュール。
【請求項３】
前記バイメタル素子の厚さ方向から見た前記放熱シートの配設位置と前記温度センサの配設位置とが互いにずれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光通信モジュール。
【請求項４】
前記温度センサと前記バイメタル素子との間、及び前記バイメタル素子と前記筐体との間のうち少なくとも一方に伝熱板を更に備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項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、半導体光素子を備えた光通信モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信用半導体レーザモジュールなどの光通信モジュールにおいては、半導体光素子（半導体レーザ素子など）を安定して動作させるために、半導体光素子の周辺温度をモニタしつつ、ペルチェ素子などの温度制御デバイスを利用して半導体光素子の温度制御を行うことがある。例えば、特許文献１には、このような温度制御を行うために熱電子冷却素子及び温度センサ（サーミスタ）を搭載した半導体レーザモジュールが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２３２６７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来より、半導体光素子の温度をモニタするための温度センサは、当該半導体光素子を内蔵するパッケージの内部において半導体光素子の近傍に配置される。しかし、測定対象である半導体光素子の位置と温度センサの位置とが離れていることや、半導体光素子に接続されたワイヤから熱が流入すること等により、半導体光素子自体の温度と温度センサの温度との間には差がある。このことが、温度制御の精度を向上させる妨げとなっている。
【０００５】
上記のような問題点を解決するために、半導体光素子を内蔵するパッケージを一部品（サブアセンブリ）として備える光通信モジュールにおいては、該サブアセンブリの外部且つ光通信モジュールの筐体内に別の温度センサを更に配置して周囲温度を測定（または推定）し、この周囲温度を用いてパッケージ内部の温度センサ測定値を補正することにより、半導体光素子の正確な温度を推定する方法が主流となりつつある。
【０００６】
しかしながら、例えば半導体レーザ素子などの半導体光素子を流れる電流量は、温度によって大きく異なる場合がある。すなわち、高温時では閾値電流が大きくなると同時に光電変換効率（スロープ効率）が下がるので、一定の発光強度を維持するためにより大きな電流を供給する必要がある。逆に、低温時ではより小さな電流で済む。従って、半導体光素子と電気的に接続された電子部品（レーザ駆動用ＩＣなど）の消費電力（発熱量）も温度によって変動し、これに応じて光通信モジュールの筐体内の温度も変動することとなる。このことから、光通信モジュールの筐体内に配置された温度センサの温度と光通信モジュールの周囲温度との差が変動するので、温度センサの測定結果に基づいて周囲温度を精度よく推定することが難しく、温度制御の精度の向上が妨げられてしまう。
【０００７】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、筐体内に配置された温度センサの温度と周囲温度との差の変動を抑え、周囲温度をより精度よく推定できる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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の光通信モジュールは、半導体光素子を有する光機能部と、光機能部の外部に配置された温度センサと、光機能部及び温度センサを収容する筐体と、温度センサと筐体との間の空間に配設されたバイメタル素子と、温度センサとバイメタル素子との間、及びバイメタル素子と筐体との間のうち少なくとも一方に配設された放熱シートとを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記光通信モジュールは、半導体光素子を内蔵するサブアセンブリとして光機能部を備える。また、この光機能部の外部に配置された温度センサによって、周囲温度を測定（または推定）できる。温度センサと筐体との間にはバイメタル素子及び放熱シートが配設されており、筐体の温度はバイメタル及び放熱シートを通じて温度センサへ伝わる。消費電力の増加などによって筐体内部の温度が上昇すると、バイメタル素子の基準状態からの撓みが大きくなって放熱シートの圧縮率が増大し、筐体と温度センサとの間の熱抵抗値が小さくなる。また、消費電力の減少などによって筐体内部の温度が低下すると、バイメタル素子の撓みが小さくなって（基準状態に近づいて）放熱シートの圧縮率が減少し、筐体と温度センサとの間の熱抵抗値が大きくなる。このように、上記光通信モジュールによれば、筐体内部の温度に応じて温度センサと筐体との間の熱抵抗値が自動的に調整されるので、温度センサの温度と周囲温度との差の変動を抑える（一定値に近づける）ことができる。従って、温度センサの測定値に基づいて光通信モジュールの周囲温度をより精度よく推定できる。
【００１０】
また、光通信モジュールは、光機能部が、その内部に第２の温度センサを更に有することを特徴としてもよい。上記光通信モジュールにおいては、光機能部の内部の温度センサによる温度測定値を補正するために、光機能部の外部に配置された温度センサを用いることができる。そして、上述したように光機能部の外部に配置された温度センサによって周囲温度を精度よく推定できるので、光機能部内の第２の温度センサにおける測定値を補正して、より精度よく半導体光素子の温度を推定することができる。
【００１１】
また、光通信モジュールは、バイメタル素子の厚さ方向から見た放熱シートの配設位置と温度センサの配設位置とが互いにずれていることを特徴としてもよい。これにより、バイメタル素子の撓みに対する放熱シートの圧縮率変化を大きくできるので、例えば筐体内部の温度変動が激しい場合においても、温度センサの温度と周囲温度との差を素早く一定値に近づけることができる。
【００１２】
なお、筐体内部の温度変動が緩やかな場合などには、光通信モジュールは、バイメタル素子の厚さ方向から見た放熱シートの配設位置と温度センサの配設位置とが互いに重なっていてもよい。これにより、バイメタル素子の撓みに対する放熱シートの圧縮率変化を小さくできるので、筐体内部の温度変動が緩やかな場合に、温度センサの温度と周囲温度との差を精度よく一定値に近づけることができる。
【００１３】
また、光通信モジュールは、温度センサとバイメタル素子との間、及びバイメタル素子と筐体との間のうち少なくとも一方に伝熱板を更に備えることを特徴としてもよい。伝熱版の材質としては銅、鉄、アルミ、コバールなどの金属が好ましい。この伝熱板の厚さを任意に設定することにより、温度センサと筐体との間隔に関係なくバイメタル素子及び放熱シートの厚さを選択できるので、筐体内部の温度変動に対する温度センサと筐体との間の熱抵抗値の変化量を或る程度自由に設定できる。従って、温度センサの温度と周囲温度との差をより精度よく一定値に近づけることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光通信モジュールによれば、筐体内に配置された温度センサの温度と周囲温度との差の変動を抑え、周囲温度をより精度よく推定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る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。
【００１６】
図１は、本発明に係る光通信モジュールの一実施形態の構成を示す側面断面図である。この光通信モジュール１は、筐体２と、筐体２に収容された光機能部３、配線基板４、電子部品５、伝熱板６、バイメタル素子７、及び放熱シート８とを備える。筐体２は、所定方向に延びた矩形断面の中空容器であり、天板２１及び底板２２を有する。筐体２の一端は、光ファイバの先端に設けられた光コネクタを収容するためのハウジング２３となっている。
【００１７】
光機能部３は、光通信モジュール１にサブアセンブリとして配置されており、レーザダイオードやフォトダイオードなどの半導体光素子３１を有する。半導体光素子３１は、例えば同軸型のパッケージ３２に内蔵されている。パッケージ３２の一端には、光ファイバの先端に設けられた光コネクタと嵌合するスリーブ３３が設けられており、スリーブ３３は筐体２の一端側から露出している。また、パッケージ３２の他端には、半導体光素子３１と配線基板４の配線パターンとを電気的に接続するためのリードピン３４が突出して設けられている。本実施形態の光機能部３は、半導体光素子３１の温度をモニタするための温度センサ３５を更に内蔵している。温度センサ３５は、半導体光素子３１の近傍に配置される。
【００１８】
配線基板４は、光機能部３及び該光機能部３と電気的に接続される電子部品類を搭載（実装）するための基板である。配線基板４は、筐体２の天板２１及び底板２２に沿って配置されている。配線基板４の一端には、光機能部３のリードピン３４が固定されている。配線基板４の他端は、筐体２の外部へ露出しており、光通信モジュール１を外部装置の通信用スロットに差し込むための電気的コネクタを構成している。
【００１９】
電子部品５は、配線基板４上に実装されており、配線基板４上の配線パターンを介して光機能部３と電気的に接続されている。電子部品５は、半導体光素子３１と電気的に接続されて半導体光素子３１の機能を引き出すためのＩＣ（例えば、レーザドライバＩＣなど）であり、温度センサ５１を内蔵している。すなわち、温度センサ５１は、光機能部３の外部に配置された温度センサである。
【００２０】
バイメタル素子７は、温度センサ５１を内蔵した電子部品５と筐体２の天板２１との間の空間に配設されている。また、伝熱板６は、バイメタル素子７と電子部品５との間に配設されている。そして、バイメタル素子７の裏面７ｂは、伝熱板６を介して電子部品５に固着されている。伝熱板６の材料としては、熱伝導性が良好な金属材料、例えば表面をＮｉで鍍金されたＣｕなどが例示される。
【００２１】
放熱シート８は、バイメタル素子７と筐体２の天板２１との間に配設されている。そして、バイメタル素子７の表面７ａは、放熱シート８を介して天板２１に接合されている。また、本実施形態においては、バイメタル素子７の厚さ方向から見た放熱シート８の配設位置と、同方向から見た電子部品５（温度センサ５１）の配設位置とが互いにずれており、重なっていない。すなわち、電子部品５上の伝熱板６とバイメタル素子７の裏面７ｂとの接合面はバイメタル素子７の一端側に寄っており、放熱シート８とバイメタル素子７の表面７ａとの接合面はバイメタル素子７の他端側に寄っている。
【００２２】
放熱シート８としては、金属と比較して柔軟な（可撓性、または圧縮性を有する）ものが好ましい。例えば、放熱シート８の硬度は針入度に換算して５０以上であることが好ましく、熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。なお、このような放熱シート８としては、例えばゲル状素材のαＧＥＬ（登録商標）が挙げられる。
【００２３】
ここで、図２（ａ）は、バイメタル素子７の構成を示す側面図である。バイメタル素子７は、材質の異なる２枚の板状体７１及び７２が互いに張り合わされて成る。本実施形態の場合、バイメタル素子７の表面７ａ側に設けられた板状体７１の熱膨張率が、裏面７ｂ側に設けられた板状体７２の熱膨張率よりも大きい。従って、バイメタル素子７の温度が上昇すると、板状体７２と比較して板状体７１がより大きく膨張するので、図２（ｂ）に示すように、裏面７ｂ側が凹となるようにバイメタル素子７が撓む。
【００２４】
以上の構成を備える光通信モジュール１の作用効果について説明する。図３は、光通信モジュール１における熱等価回路を示す図である。なお、図３において、温度Ｔｊは温度センサ５１（電子部品５）の温度であり、温度Ｔｃは筐体２の温度（正確には天板２１の温度）であり、温度Ｔａは光通信モジュール１の周囲温度である。また、θｊ-ｃは温度センサ５１（電子部品５）と筐体２（天板２１）との間の熱抵抗値であり、θｃ-ａは筐体２（天板２１）と光通信モジュール１の周囲との間の熱抵抗値である。
【００２５】
図３において、温度センサ５１の温度Ｔｊと筐体２の温度Ｔｃとの差（Ｔｊ−Ｔｃ）は、次の数式（１）によって表される。なお、以下の数式において、Ｐｗは光通信モジュール１の消費電力値である。
Ｔｊ−Ｔｃ＝θｊ-ｃ×Ｐｗ  …（１）
また、筐体２の温度Ｔｃと周囲温度Ｔａとの差（Ｔｃ−Ｔａ）は、次の数式（２）によって表される。
Ｔｃ−Ｔａ＝θｃ-ａ×Ｐｗ  …（２）
従って、温度センサ５１の温度Ｔｊと周囲温度Ｔａとの差（Ｔｊ−Ｔａ）は、次の数式（３）となる。
Ｔｊ−Ｔａ＝（θｊ-ｃ＋θｃ-ａ）×Ｐｗ  …（３）
【００２６】
数式（３）により、（θｊ-ｃ＋θｃ-ａ）×Ｐｗが一定値であれば、温度Ｔｊの値（すなわち温度センサ５１の測定値）から容易に周囲温度Ｔａを換算して推測できる。しかしながら、半導体光素子３１の消費電流量が温度に依存するような場合、光通信モジュール１の消費電力Ｐｗもまた、温度に依存する。例えば、半導体光素子３１がレーザダイオードである場合、温度が上昇すると、レーザダイオードの閾値電流値が上昇するとともに光電変換効率（スロープ効率）が低下する。従って、より大きな駆動電流が必要となり、レーザダイオードを駆動するためのドライバＩＣの消費電力が増大する。また、半導体光素子３１がフォトダイオードなどの受光素子である場合においても、温度が上昇すると増幅器（アンプ）などの消費電力が増大する。このため、従来においては、温度センサ５１の温度Ｔｊから周囲温度Ｔａを高精度に推測することは困難であった。
【００２７】
例えば、光通信モジュール１の消費電力Ｐｗを測定して温度センサ５１の測定値を補正することも可能ではあるが、補正の演算を行うために大規模なアナログ回路か或いはＣＰＵが必要となり、回路規模が拡大してしまう。また、電源用ＩＣを備えない場合、消費電力Ｐｗを測定することも困難である。光通信モジュール１の電源端子に抵抗を介装してその両端電位差を測定する方法もあるが、光通信モジュール１内の電源電圧が低下してしまうので現実的ではない。
【００２８】
本実施形態の光通信モジュール１は、バイメタル素子７及び放熱シート８を備えることにより、上記課題を解決している。すなわち、筐体２の内部温度が上昇すると、図２（ｂ）に示したようにバイメタル素子７が撓む。このとき、放熱シート８がバイメタル素子７によって圧縮される。ここで、放熱シート８の熱抵抗値はその圧縮率に依存しており、強く圧縮されるほど熱抵抗値が小さくなる（すなわち、熱伝導率が大きくなる）。また、放熱シート８の熱抵抗値は筐体２及びバイメタル素子７との接触面積にも依存しており、接触面積が大きくなるほど熱抵抗値が小さくなる。本実施形態の光通信モジュール１においては、筐体２の内部温度が低い時には、バイメタル素子７の基準状態からの撓みが小さくなり、放熱シート８の圧縮率及び接触面積が小さくなる。また、筐体２の内部温度の上昇に応じて、バイメタル素子７の基準状態からの撓みが大きくなり、放熱シート８の圧縮率及び接触面積が大きくなる。従って、光通信モジュール１の消費電力Ｐｗとは反対に、筐体２内部の温度上昇に対して熱抵抗値θｊ-ｃが低下する方向に、筐体２内部の温度低下に対して熱抵抗値θｊ-ｃが上昇する方向に、それぞれ作用することとなる。
【００２９】
このように、本実施形態の光通信モジュール１によれば、筐体２内部の温度に応じて温度センサ５１（電子部品５）と筐体２（天板２１）との間の熱抵抗値θｊ-ｃが自動的に調整され、消費電力Ｐｗの変動による影響を相殺する方向に作用するので、温度センサ５１の温度Ｔｊと周囲温度Ｔａとの差（Ｔｊ−Ｔａ）の変動を抑える（一定値に近づける）ことができる。従って、温度センサ５１の測定値に基づいて光通信モジュール１の周囲温度Ｔａをより精度よく推定できる。また、本実施形態の光通信モジュール１によれば、筐体２の内部温度が高温になると、放熱シート８を介した伝熱量が増す。従って、光通信モジュール１の高温側の動作温度範囲を拡大できる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、放熱シート８がバイメタル素子７と筐体２（天板２１）との間に配設されているが、放熱シート８は、温度センサ５１（電子部品５）とバイメタル素子７との間に配設されてもよく、或いはバイメタル素子７と筐体２との間及び温度センサ５１とバイメタル素子７との間の双方に配設されてもよい。このような変形によっても、本実施形態の効果を好適に得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態のように、光機能部３は、温度センサ５１とは別の温度センサ（第２の温度センサ）３５を有してもよい。光通信モジュール１においては、光機能部３の温度センサ３５による測定値（すなわち半導体光素子３１の温度測定値）を補正するために、光機能部３の外部に配置された温度センサ５１を用いることができる。そして、本実施形態の光通信モジュール１によれば、温度センサ５１によって周囲温度Ｔａを精度よく推定できるので、光機能部３に内蔵された温度センサ３５における測定値をより精度よく補正できる。
【００３２】
また、本実施形態のように、バイメタル素子７の厚さ方向から見た放熱シート８の配設位置と、電子部品５（温度センサ５１）の配設位置とは、互いにずれていることが好ましい。これにより、バイメタル素子７の撓みに対する放熱シート８の圧縮率変化を大きくできるので、例えば筐体２内部の温度変動が激しい場合においても、温度センサ５１の温度Ｔｊと周囲温度Ｔａとの差（Ｔｊ−Ｔａ）を素早く一定値に近づけることができる。
【００３３】
また、本実施形態のように、光通信モジュール１は、温度センサ５１（電子部品５）とバイメタル素子７との間に金属製の伝熱板６を備えることが好ましい。この伝熱板６の厚さを任意に設定することにより、温度センサ５１と筐体２（天板２１）との間隔に関係なくバイメタル素子７及び放熱シート８の厚さを選択できるので、筐体２内部の温度変動に対する温度センサ５１と筐体２（天板２１）との間の熱抵抗値θｊ-ｃの変化量を或る程度自由に設定できる。従って、温度センサ５１の温度Ｔｊと周囲温度Ｔａとの差（Ｔｊ−Ｔａ）をより精度よく一定値に近づけることが可能となる。
【００３４】
本実施形態では伝熱板６が温度センサ５１とバイメタル素子７との間に配設されているが、伝熱板６はバイメタル素子７と筐体２（天板２１）との間に配設されてもよい。この場合、光通信モジュール１を製造する際に、金属製の伝熱板６を介してバイメタル素子７を筐体２の天板２１に取り付ければよく、光通信モジュール１の組み立てが更に容易になる。また、伝熱板６は、バイメタル素子７と天板２１との間、及び温度センサ５１とバイメタル素子７との間の双方に配設されてもよい。
【００３５】
（変形例）
図４は、上記実施形態の変形例として、光通信モジュール１１の構成を示す側面断面図である。本変形例の光通信モジュール１１と上記実施形態の光通信モジュール１との構成上の相違点は、バイメタル素子の形状である。すなわち、本変形例の光通信モジュール１１は、上記実施形態のバイメタル素子７に代えてバイメタル素子９を備える。
【００３６】
バイメタル素子９は、温度センサ５１を内蔵した電子部品５と筐体２の天板２１との間に配設されている。バイメタル素子９と電子部品５との間には伝熱板６が配設されており、バイメタル素子９の裏面９ｂは伝熱板６を介して電子部品５に固着されている。また、バイメタル素子９と天板２１との間には放熱シート８が配設されており、バイメタル素子９の表面９ａは放熱シート８を介して天板２１に接合されている。
【００３７】
本変形例においては、バイメタル素子９の厚さ方向から見た放熱シート８の配設位置と、同方向から見た電子部品５（温度センサ５１）の配設位置とが互いに重なっている。すなわち、電子部品５上の伝熱板６とバイメタル素子９の裏面９ｂとの接合面は、放熱シート８とバイメタル素子９の表面９ａとの接合面の裏側に位置している。電子部品５、伝熱板６、バイメタル素子９、放熱シート８、及び天板２１は、配線基板４上においてこの順に積層されている。
【００３８】
本変形例の構成によれば、バイメタル素子９の撓みに対する放熱シート８の圧縮率変化を小さくできるので、例えば筐体２内部の温度変動が緩やかな場合に、温度センサ５１の温度Ｔｊと周囲温度Ｔａとの差（Ｔｊ−Ｔａ）を精度よく一定値に近づけることができる。なお、上記実施形態と同様に、放熱シート８は、電子部品５とバイメタル素子９との間に配設されてもよく、或いはバイメタル素子９と天板２１との間、及び電子部品５とバイメタル素子９との間の双方に配設されてもよい。また、伝熱板６は、バイメタル素子９と天板２１との間に配設されてもよく、或いはバイメタル素子９と天板２１との間、及び電子部品５とバイメタル素子９との間の双方に配設されてもよい。
【００３９】
本発明による光通信モジュールは、上記した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては光機能部３が温度センサ３５を有しているが、本発明は、光機能部が温度センサを有しないような形態の光通信モジュールにおいて、周囲温度を精度よく測定（推定）したい場合にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明に係る光通信モジュールの一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図２（ａ）は、バイメタル素子の構成を示す側面図である。図２（ｂ）は、バイメタル素子が撓んだ状態を示す側面図である。
【図３】図３は、光通信モジュールにおける熱等価回路を示す図である。
【図４】図４は、変形例の構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，１１…光通信モジュール、２…筐体、３…光機能部、４…配線基板、５…電子部品、６…伝熱板、７，９…バイメタル素子、８…放熱シート、３１…半導体光素子、３２…パッケージ、３５，５１…温度センサ、７１，７２…板状体。
【図１】
2007194502.tif 000003
【図２】
2007194502.tif 000004
【図３】
2007194502.tif 000005
【図４】
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