JP2013152256A - 光データリンク - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で外部へのノイズ放射を効果的に低減でき、小型化が可能な光データリンクを提供する。
【解決手段】光データリンクは、光電変換素子を搭載した光サブアセンブリ１５と、この光サブアセンブリ１５用の電子回路１６を実装した回路基板１７を、筐体内に収納保持している。筐体を構成するトップハウジングおよびボトムハウジングの少なくともいずれか一方には、断面Ｔ字型の導電部材１９からなる周期構造体（Ｔ字型コルゲート構造体）が設けられている。この断面Ｔ字型の導電部材１９の寸法と数は、抑制する電磁波の周波数帯域によって定めることができる。また、Ｔ字型コルゲート構造体は筐体と一体に形成されていても別体に形成されていてもよい。さらに、周期構造体の断面Ｔ字型の導電部材間に誘電体を設けてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、光信号によるデータ通信に用いられる光トランシーバ等の光データリンクに関する。

光通信に用いられる光データリンクは、光信号を送信する送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）、光信号を受信する受信用光サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）、または、送受信の双方の構成を持つ送受信用光サブアセンブリ等の光サブアセンブリを、多数の電子部品を実装した回路基板と共に金属製の筐体内に収納保持して構成される。この場合、送受信の双方の機能を備えるものは、一般にプラガブル型光トランシーバ（以下、光トランシーバという）とも言われ、ホスト装置のケージに挿抜されてケージ奥部に配された電気コネクタに接続されて使用される。

図１２は、従来の光トランシーバ１００の一例を説明する図であり、例えば、光トランシーバ１００は、光レセプタクル１０６の後部が断面矩形状の金属製の筐体１０５で囲われた長方形体で形成されている。光トランシーバ１００は、ホスト装置１０１のフロントパネル１０３に設けられたパネル開口１０３ａを通して、ホスト基板１０４上に載置されたケージ１０２内に挿抜自在に嵌めこまれ、ケージ１０２の奥部に配された電気コネクタ（図示せず）により電気的に接続される。また、光レセプタクル１０６内には光ファイバコネクタ１０７が挿入され、光トランシーバ１００に実装されている発光素子および受光素子と光学的に接続され、光信号の送受信が行われる。

このような光トランシーバでは、光トランシーバの内部、もしくはホスト装置の内部から外部への電磁放射（ＥＭＩ）を抑え、また放熱を促進するために、光トランシーバ１００の金属製の筐体１０５を、接地されているケージ１０２またはホスト装置のフロントパネルの開口１０３ａに電気的に接触させて電磁的にシールドすることなどが一般的に行われている。

例えば、特許文献１には、光トランシーバを覆う金属カバーに設けた弾性フィンガが、光コネクタが挿入された状態のときに、金属カバーの外方に突き出されてケージ内面に電気的に接触されてＥＭＩシールドを形成し、光コネクタが挿入されていないときは、弾性フィンガは、ケージと無接触となってモジュールの着脱を容易にしたものが開示されている。また、特許文献２には、電磁波の遮断構造として、金属表面の電磁誘導表面電流を減少させるために、導電ビアによって支持された六角形の金属プレートを２次元的に配列したマッシュルーム構造が開示されている。

特開２００７ −２３３２６１ 号公報 米国特許６２６２４９５号明細書

一般に、ＥＭＩシールドを考慮した光トランシーバの実装は、ホスト装置のフロントパネルとケージ間、並びに光トランシーバ筐体とケージ間を、複数のフィンガ（又はタブ）により複数の電気接続パスを形成して接地電位の安定化を図るとともに、外部への漏洩口となるパネル開口付近の隙間となる部分小さくする努力が払われ、上記の特許文献１に開示されるような種々の提案がなされてきた。

しかしながら、近年は、信号の伝送量の増大に加えて伝送速度が高速化し、動作周波数が高くなっているため、外部への電磁放射が僅かな隙間からでも生じる。例えば、フロントパネル開口とケージとの間の隙間、ケージと光トランシーバ筐体との間の隙間は、外向きと内向きのフィンガで部分的には塞ぐことが可能であるが、フィンガ間の間隙が隙間として残るため、この隙間を通してシールド漏れが生じるおそれがある。

このため、出願人は、特願２０１０―２８２７１９号において、光トランシーバの筐体内部に櫛歯状導電部材を設けることにより、筺体の内部空間を伝搬する電磁ノイズを櫛歯状導電部材によって減衰させ、外部へのノイズ放射を効果的に低減できる発明を提案している。しかしながら、光トランシーバの大きさはＭＳＡ等の業界標準で定められるが、ますます小型化を目指した標準化が進められており、光トランシーバの内部空間の余裕は少ない。そして、櫛歯状導電部材によるツイタテ構造は、後述するように櫛歯の高さのために光トランシーバ内での設置場所が制約されるという問題があった。

櫛歯の高さは、例えば、導波管中における、櫛歯高さtと遮断周波数fとの関係が式１で表される。

ここで、aは導波管の幅、cは真空中の光速。
また、導波管の幅aが無限大(a→∞)場合、櫛歯高さt’は次の式２で表される。

ここで、λは遮断したい電磁波の波長。
したがって、有限な幅aをもつ導波管においては、櫛歯高さtは、t > t’、すなわち、遮断したい電磁波の波長の１／４以上必要となり、光トランシーバ内では大きな設置場所を占めることになる。
また、特許文献２に開示されたマッシュルーム構造は、その構造が複雑であるため、光トランシーバ筐体との一体型として製作するのはきわめて困難である。

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で外部へのノイズ放射を効果的に低減でき、小型化が可能な光データリンク（光トランシーバ）を提供することを目的とする。

本発明による光データリンクは、光電変換素子を搭載した光サブアセンブリと、該光サブアセンブリ用の電子回路部品を実装した回路基板とを、筐体内に収納保持した光データリンクであって、筐体の内部に断面Ｔ字型の導電部材からなる周期構造体を設けたことを特徴とする。この周期構造体は、断面Ｔ字型の導電部材を筐体の長手方向に沿って複数個配列されたものである。

筐体は導電体からなり、トップハウジングとボトムハウジングの少なくともいずれか一方のハウジング内面に、周期構造体が設けられている。トップハウジングおよびボトムハウジングのそれぞれの断面が、Ｌ字型であってもよい。また、周期構造体が、筐体と一体に形成されていても別体に形成されていてもよい。さらに、周期構造体の断面Ｔ字型の導電部材間に誘電体を設けてもよい。

本発明によれば、光データリンクの筐体の内部に断面Ｔ字型の導電部材からなる周期構造体を設けたことにより、筺体の内部空間を伝搬する電磁ノイズを周期構造体によって減衰させることができ、外部へのノイズ放射を効果的に低減できる。また、断面Ｔ字型の導電部材は高さを低く形成することができるため、筐体内での回路基板などの配置の自由度が大きく、光データリンクの小型化が可能となる。

本発明の実施形態に係る光トランシーバの一例を示す外観図である。 図１に示す光トランシーバの断面図である。 図１に示す光トランシーバの筐体の構成部材を示す図である。 本発明の実施形態に係る光トランシーバの筐体の他の例を示す図である。 垂直型コルゲート構造体の等価回路モデルを説明するための図である。 垂直型コルゲート構造体による電磁波の遮断について説明するための図である。 垂直型コルゲート構造体における減衰乗数について説明するための図である。 垂直型コルゲート構造体におけるユニット数のシミュレーション結果を示す図である。 垂直型コルゲート構造体とＴ字型コルゲート構造体とにおけるツイタテ高さを説明するための図である。 垂直型コルゲート構造体とＴ字型コルゲート構造体における遮断特性のＦＤＴＤシミュレーションに用いた例を示すである。 図１０の垂直型コルゲート構造体とＴ字型コルゲート構造体の例によるシミュレーションの結果を示す図である。 従来の光トランシーバを説明するための図である。

以下、図面を参照して、光データリンクとして光トランシーバを例に、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る光トランシーバの一例を示す外観図であり、図２は、図１に示す光トランシーバの断面図である。また、図３は、図１に示す光トランシーバの筐体の構成部材を示す図である。

図において、１は光トランシーバ、１１はトップハウジング、１２はボトムハウジング、１３はハウジングカバー、１４はレセプタクル部、１５は光サブアセンブリ、１６は電子回路部品、１７は回路基板、１８はフレキシブル基板（ＦＰＣ）、１９は断面Ｔ字型の導電部材を示す。

ここで、光アセンブリ１５は、光信号を送信する光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）と光信号を受信する光サブアセンブリ（ＲＯＳＡ）を含み、それぞれ、互いに幅方向（Ｘ軸方向）に並列状態にして、レセプタクル部１４により一体的に組み付けられてサブアセンブリユニットとされる。光アセンブリ１５のＴＯＳＡおよびＲＯＳＡには、それぞれ光電変換素子である発光素子および受光素子が搭載され、フレキシブル基板１８を介して回路基板１７に接続される。

そして、光アセンブリ１５のＴＯＳＡとＲＯＳＡのための電気信号処理、制御等は、回路基板１７に実装された電子回路部品１６からなる電子回路で行われる。回路基板１７は、主回路基板として光トランシーバの主たる制御を行う回路装置に用い、ＩＣ回路等の発熱部品を搭載する基板とすることができる。また、１枚の回路基板１７で電子回路を収納できない場合は、第２の回路基板を設けてもよい。なお、回路基板１７のＺ軸後方（レセプタクル部１４側と反対側）には、光トランシーバをホスト装置に電気的に接続するための、コネクタ部が設けられる。

光トランシーバ１の筐体は、本実施形態では、トップハウジング１１、ボトムハウジング１２、および、ハウジングカバー１３から構成される。トップハウジング１１は、放熱とシールド機能を有する金属材で形成され、頂部壁１１_１と一対の側壁１１_２を有している。トップハウジング１１の前部には、光コネクタを挿着するためのレセプタクル部１４が設けられている。このレセプタクル部１４は、図示しない光コネクタが挿着される一対のソケット孔１４ａを有し、光アセンブリ１５のＴＯＳＡ、ＲＯＳＡのスリーブ部分に連通している。そして、トップハウジング１１の頂部壁１１_１の後部内面には、複数の断面Ｔ字型の導電部材１９からなる周期構造体２０（以下、「Ｔ字型コルゲート構造体」ともいう。）が設けられている。

ボトムハウジング１２は、トップハウジング１１の下部の開口を塞ぐ蓋形状を有しており、トップハウジング１１と同様に、放熱とシールド機能を有する金属材で形成することができる。ボトムハウジング１２の底部壁１２_１の前部内面は、トップハウジング１１内に位置決めされて収納されているＴＯＳＡ、ＲＯＳＡを下方から押えて保持固定するようになっている。また、ボトムハウジング１２の底部壁１２_１の後部内面には、複数の断面Ｔ字型の導電部材１９からなる周期構造体２０が設けられている。

ハウジングカバー１３は、光トランシーバ１の後端側部を覆うコの字形状をしており、トップハウジング１１およびボトムハウジング１２にそれぞれ設けた周期構造体２０を覆っている。ハウジングカバー１３の材料は、トップハウジング１１、ボトムハウジング１２と同様に、放熱とシールド機能を有する金属材で形成することができる。

トップハウジング１１およびボトムハウジング１２にそれぞれ設けたＴ字型コルゲート構造体２０は、筺体の内部空間を伝搬する電磁ノイズを減衰させるためのものであって、断面Ｔ字型の導電部材を筐体の長手方向（Ｚ軸方向）に沿って、例えば、一列に複数個配列したものである。そして、Ｔ字型コルゲート構造体２０は、光トランシーバ１が機器に挿入される活線挿抜部分、すなわち、光トランシーバ１の後端部のみ、もしくは、後端部と光コネクタが装着される側である前端部との両者に設けられることが望ましい。また、Ｔ字型コルゲート構造体２０は、トップハウジング１１およびボトムハウジング１２の少なくとも一方に設けるようにしてもよい。

図４は、本発明の実施形態に係る光トランシーバの筐体の他の例を示す図である。
図４に示す筐体は、それぞれ断面Ｌ字型をしたトップハウジング１１’とボトムハウジング１２’の２つの部材から構成されている。そして、トップハウジング１１’の頂部壁およびボトムハウジング１２’の底部壁１２_１’には、それぞれ長手方向（Ｚ軸方向）全体に亘って、複数の断面Ｔ字型の導電部材１９からなる周期構造体２０を一体に形成している。このようにすることにより、金型成型によってＴ字型コルゲート構造体を有する筐体を製作することが可能となる。

次に、Ｔ字型コルゲート構造体２０による電磁波の遮断について説明する。説明にあたって、まず、櫛歯構造体（以下、「垂直型コルゲート構造体」ともいう。）による電磁波の遮断について説明する。
図５は、垂直型コルゲート構造体の等価回路モデルを説明するための図であり、図５（Ａ）は、光トランシーバ内に設けた櫛歯構造体の断面を示す図、図５（Ｂ）は，櫛歯１ユニット当たりの伝送線路モデルの諸元（パラメータ）を示す図である。図５（Ｃ）は、櫛歯１ユニット当たりの伝送線路モデルの等価回路モデルを示す図である。

光トランシーバの筐体の内部空間は導波管と同様の構造となっている。したがって、その内部空間の構造で定まる遮断周波数以上の周波数を有するノイズは、筺体の内部空間を伝搬することになる。図５（Ａ）において、３０は櫛歯構造体、３１は櫛歯を構成するツイタテ、３２は溝部、３３は導波管を示す。

ここで、導波管の伝送線路モデルの櫛歯１ユニット当たりのパラメータとして、図５（Ｂ）に示すように、導波管３３の横幅をａ（ｍ）、導波管３３の高さをｂ（ｍ）、１周期分の長さ（ピッチ）をｐ（ｍ）、ツイタテ３１の高さ（深さ）をｔ_ｓ（ｍ）、ツイタテ３１間の隙間をｗ_ｓ（ｍ）、溝部３２の比透磁率をμ_ｒ、溝部３２の比誘電率をε_ｒとする。そして、透磁率をμ（Ｈ／ｍ）、誘電率をε（Ｃ／ｍ）、１周期あたりのインピーダンスをＺ（Ω）、１周期あたりのアドミタンスをＹ（Ｓ）、単位長さあたりのインピーダンスをＺ’（Ω）、単位長さあたりのアドミタンスをＹ’（Ｓ）、角周波数をω（ｒａｄ／ｓ）、周波数をｆ（１／ｓ）、カットオフ周波数をｆ_ｃ（１／ｓ）（ここで、ｆ_ｃ＝１／（２ａ））、溝部でのインピーダンスをＺｓ（Ω）、溝部での伝搬定数をβｓ（ｒａｄ／ｍ）、真空中の高速をｃ（ｍ／ｓ）とすれば、伝送線路モデルにおける実効的な透磁率μ_ｅｆｆ（Ｈ／ｍ）は、式３で表すことができる。

また、伝送線路モデルにおける実効的な誘電率ε_ｅｆｆ（Ｃ／ｍ）は、式４で表すことができる。

そして、櫛歯１ユニット当たりの伝送線路モデルの等価回路は、図５（Ｃ）に示す図となる。

図６は、垂直型コルゲート構造体による電磁波の遮断について説明するための図である。
ある特定の周波数帯域で電磁波が伝搬できない領域となる電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）は、図６（Ａ）で示したμ_ｅｆｆ（式３）またはε_ｅｆｆ（式４）のどちらか片方が負になる場合に形成され、これは、ε_ｅｆｆとμ_ｅｆｆの２次元平面を描いた場合、図６（Ａ）の第２象限Ｄ２あるいは第４象限Ｄ４の時に対応する。ここで、実効的な誘電率と透磁率を自由に操作できるという意味で、垂直型コルゲート構造体および後述するＴ字型コルゲート構造体は、メタマテリアルの一つと考えられる。（参考文献 Christophe Caloz, Tatsuo Itoh著“Electromagnetic Metamaterials : Transmission Line Theory and Microwave Applications” Wiley-IEEE Press; 1版 (2005/11/25)）

図６（Ｂ）に、図５（Ｂ）に示した伝送線路モデルの各パラメータの値を表１に示す値とした際の、ε_ｅｆｆとμ_ｅｆｆとの計算例を示す。ε_ｅｆｆ＜０の領域はいわゆる導波管でのカットオフ周波数以下に対応する。この領域は導波管の幅ａで一意に決まってしまうため、導波管サイズがすでに決められている状況ではギャップ領域の操作は不可能である。一方、μ_ｅｆｆ＜０となる領域は、導波管内のショートスタブ構造（コルゲート構造）の形状を変更することで操作可能である。

そして、ショートスタブのインピーダンスがオープンになる条件の時に、電磁波の遮断がおこるため、下記の式５を解いて、式６で示す遮断周波数ｆ_ｏｐｅｎを得ることができる。

遮断したい周波数の電磁波の波長をλ_ｏｐｅｎとした場合、コルゲート構造のツイタテの高さｔ_ｓは、式６から算出される値である必要がある。ここで、導波管横方向の長さが十分長く、ａ＝∞、ツイタテ間の溝３２に誘電体、磁性体が存在しない、すなわち、真空中で、溝部３２の比透磁率μ_ｒ＝１、溝部３２の比誘電率をε_ｒ＝１とすると、ツイタテの高さｔ_ｓは、式７で示すように、遮断したい電磁波の波長の１/４になる。

また、溝の隙間に誘電体または磁性体を設置した場合は、式８で示すように、1/√(ε_rμ_r)倍だけツイタテの高さｔ_ｓを小さくすることができる。

ツイタテ間の隙間３２に充填する誘電体として、例えば、ポリイミド（１０ＧＨｚで比誘電率３．２）、ＬＣＰ（液晶ポリマー：２５ＧＨｚで比誘電率２．９）、アクリル系放熱材（１ＭＨｚで比誘電率約４．４）などを用いることにより、ツイタテの高さｔ_ｓを約０．５から０．６倍程度に抑えることが可能となる。

次に、垂直型コルゲート構造体を実際に使用するにあたって、導波管内を伝わる電磁波の減衰効果は大きい方が望ましい。図７は、垂直型コルゲート構造体における減衰乗数について説明するための図である。フロケの定理を用い、垂直型コルゲート構造体の櫛歯１ユニット当たりの減衰定数は、式９で表すことができる。

そして、図７に示すように、櫛歯を複数（Ｎ個）のユニット設けた際の入力電界振幅をＡ_ｉｎ、出力電界振幅をＡ_ｏｕｔとする場合、入力電界振幅をＡ_ｉｎに対する出力電界振幅Ａ_ｏｕｔは、式１０で示す関係となる。

ここで、ｅｘｐ（−α）は櫛歯１ユニット当たりの減衰を示す。したがって、ユニットの数が多いほど、導波管内を伝わる電磁波の減衰効果は大きくなり、遮断性能は向上することになる。

図８は、垂直型コルゲート構造体におけるユニット数のシミュレーション結果を示す図であり、ユニットの形状を図５（Ａ）で示す形状とし、各パラメータを表１に示す値とした場合における、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）解析した結果を、周波数とＳパラメータのＳ_２１の関係で示している。ここで、実際の光トランシーバでは、電界振幅が−３０ｄＢ以上減衰する帯域が２ＧＨｚ以上ある場合が望ましく、図８から、４枚以上の櫛歯のツイタテを設ければよいことが分かる。なお、この点は、後述するＴ字型コルゲート構造においても同様である。

図９は、垂直型コルゲート構造体とＴ字型コルゲート構造体とにおけるツイタテ高さを説明するための図である。図９（Ａ）に示す垂直型コルゲート構造体のツイタテの高さｔ_ｓは、図９（Ｂ）、（Ｃ）に示すＴ字型コルゲート構造体では、概ねＴ字型の一つの翼２１の長さと、翼２１の厚みと、隣の翼までの長さの１／２と、翼２１の柱部分２２の長さの１／２とを加算した長さｔ_ｓと同様となる。また、図９（Ａ）に示す垂直型コルゲート構造体のツイタテ間の間隙ｗ_ｓは、図９（Ｂ）、（Ｃ）に示すＴ字型コルゲート構造体では、概ね隣の翼２１までの長さと翼２１の柱部分２２の長さの平均値と同様となる。

図１０は、垂直型コルゲート構造体とＴ字型コルゲート構造体における遮断特性のＦＤＴＤシミュレーションに用いた例示す図であり、図１１は、図１０の垂直型コルゲート構造体とＴ字型コルゲート構造体の例による遮断特性のシミュレーション結果を示す図である。
ここで、図１０（Ａ）は、垂直型コルゲート構造体のシミュレーションに用いたユニットの断面図とパラメータを、図１０（Ｂ）は、Ｔ字型コルゲート構造体のシミュレーションに用いたユニットの断面図とパラメータを示す。また、シミュレーションに用いた導波管の断面と内径寸法を図１０（Ｃ）に示す。

シミュレーションは、ユニットの数は５つとし、ユニット間には誘電体を設けないものとして行った。そして、図１１に示すように、垂直型コルゲート構造体とＴ字型コルゲート構造体をそれぞれ導波管内部に設置した場合のバンドギャップの周波数帯域は、ほぼ同じであることが確認できた。このように、Ｔ字型導電体の寸法と数を定めることにより、光トランシーバ内を伝搬する特定の周波数帯域の電磁波を抑制することが可能になる。

以上、Ｔ字型コルゲート構造体を用いることにより、垂直型コルゲート構造体を用いる場合よりも、実質高さを低く抑えることができるため、光トランシーバの筐体内での配置に関する自由度を大きくすることができる。なお、Ｔ字型コルゲート構造体２０の断面形状は，直線部のみを含むものに限定されず、曲線部を含んでいても構わない。

１…光トランシーバ、１１…トップハウジング、１２…ボトムハウジング、１３…ハウジングカバー、１４…レセプタクル部、１５…光サブアセンブリ、１６…電子回路部品、１７…回路基板、１８…フレキシブル基板、１９…断面Ｔ字型の導電部材、２０…周期構造体（Ｔ字型コルゲート構造体）、２１…翼、２２…翼の柱、３０…櫛歯構造体（垂直型コルゲート構造体）、３１…ツイタテ、３２…溝部、３３…導波管。１００…光トランシーバ、１０１…ホスト装置、１０２…ケージ、１０３…フロントパネル、１０４…ホスト基板、１０５…筺体、１０６…光レセプタクル、１０７…光コネクタ。

Claims (7)

1. 光電変換素子を搭載した光サブアセンブリと、電子回路部品を実装した回路基板とを、筐体内に収納保持した光データリンクであって、前記筐体の内部に断面Ｔ字型の導電部材からなる周期構造体を設けたことを特徴とする光データリンク。
2. 前記周期構造体は、断面Ｔ字型の導電部材を筐体の長手方向に沿って複数個配列したものであることを特徴とする請求項１に記載の光データリンク。
3. 前記筐体が導電体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光データリンク。
4. 前記筐体が、トップハウジングとボトムハウジングの２つのハウジングを有し、少なくともいずれか一方のハウジング内面に、前記周期構造体が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の光データリンク。
5. 前記トップハウジングの断面およびボトムハウジングの断面が、それぞれＬ字型であることを特徴とする請求項４に記載の光データリンク。
6. 前記周期構造体が、前記筐体と一体に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の光データリンク。
7. 前記周期構造体が、前記筐体と別体に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の光データリンク。

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