CN1276560C - 激光二极管模块、装置和包括相同装置的光学发射器 - Google Patents

Abstract

在激光二极管模块中，激光二极管芯片设置在模块壳体中。加热器加热激光二极管芯片以使至少激光二极管芯片的温度保持恒定。温度检测器检测激光二极管模块的温度。温度控制器根据激光二极管模块的检测温度控制加热器的热值。温度控制器保持激光二极管模块的温度高于包含激光二极管模块的激光二极管装置的工作温度。

Description

激光二极管模块、装置和包括 相同装置的光学发射器

技术领域

本发明涉及一种非冷却型激光二极管模块和包括该激光二极管模块的激光二极管装置，以及包括激光二极管装置的光学发射器。

背景技术

用于有线电视等的光学发射器集成有半导体激光二极管作为光学信号发生器。半导体激光二极管的各种特性，例如斜率、失真和其他，根据激光二极管芯片的温度的不同而有很大的变化。为了处理此问题，在激光二极管装置中包含一个冷却器以保持激光二极管的温度在约25℃的固定值，以抑制失真的产生和保证激光二极管的稳定工作(例如在日本专利公开号5-90698A中公开的)。

在激光二极管包含冷却器的情况下，仅芯片本身被冷却。相应地，由环境温度的变化引起的内部光学系统的偏差，例如透镜和隔离物，引起了光学信号输出值的变化。而且，激光二极管在结构上是复杂的，并导致大的封装和高成本。

由于此原因，近来，已经使用不包含冷却器的非冷却型激光二极管模块。因为它不包含冷却器，非冷却型激光二极管模块具有降低封装尺寸和成本的优点。

然而，在工作期间它也有缺点，它的温度在变化，并随着温度变化，失真量和失真特性也有很大的变化。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种激光二极管模块，激光二极管装置以及光学发射器，其工作温度保持恒定，并由此阻止失真变化，同时降低生产成本。

为了获得上述目的，根据本发明，提供一种光学发射器，用来将输入的电信号转换成要发射的光学信号，该光学发射器包括：

激光二极管装置，其包括：

激光二极管模块，其包括：

模块壳体；

激光二极管芯片，设置在模块壳体内；和

加热器，它加热激光二极管芯片，使得至少激光二极管芯片的温度保持为比室温高的恒定温度；

温度检测器，它检测激光二极管模块的温度；和

温度控制器，它根据激光二极管模块的检测温度而控制加热器的热值；和

失真补偿器，设置在激光二极管装置的输入侧内，以预先补偿在激光二极管装置的输出侧产生的失真，

其中，失真补偿器的补偿特性在激光二极管模块的控制温度处最佳。

根据本发明，还提供一种光学发射器，用来将输入的电信号转换成要发射的光学信号，该光学发射器包括：

激光二极管装置，其包括：

激光二极管模块，其包括：

模块壳体；

激光二极管芯片，设置在模块壳体内；和

珀尔帖元件，它设置在壳体的外面，以将至少激光二极管芯片的温度保持为比室温高的恒定温度；

温度检测器，它检测激光二极管模块的温度；和

温度控制器，它根据激光二极管模块的检测温度而控制珀尔帖元件的工作状态；和

失真补偿器，设置在激光二极管装置的输入侧内，以预先补偿在激光二极管装置的输出侧产生的失真，

其中，失真补偿器的补偿特性在激光二极管模块的控制温度处最佳。

根据本发明，还提供一种激光二极管模块，包括：

模块壳体；

激光二极管芯片，其设置在壳体中；和

加热器，其加热激光二极管芯片以使至少激光二极管芯片的温度保持恒定。

加热器优选设置在模块壳体的外部以保持模块壳体温度的恒定。

加热器优选是包括PTC(正温度系数)热敏电阻器的恒温热产生元件。

加热器可以设置在模块壳体里面。在这种情况下，优选加热器加热至少激光二极管芯片和从激光二极管芯片发射的激光束通过的光学系统。

根据本发明，还提供一种激光二极管装置，包括：

上面的激光二极管模块；

温度检测器，它检测激光二极管模块的温度；和

温度控制器，它根据激光二极管模块的检测温度控制加热器的发热值。

温度控制器优选把激光二极管模块的温度保持在高于激光二极管装置的工作温度。

根据本发明，还提供一种激光二极管模块，包括：

模块壳体；

激光二极管芯片，设置在模块壳体中；和

珀尔帖元件，设置在模块壳体外面以保持至少激光二极管芯片的温度恒定。

根据本发明，还提供一种激光二极管装置，包括：

上面的激光二极管模块；

温度检测器，它检测激光二极管模块的温度；和

温度控制器，它根据激光二极管模块的检测温度控制珀尔帖元件的工作状态。

根据本发明，为了把输入的电信号转换成发射的光学信号，还提供一种包含上面激光二极管的光学发射器。

优选地，光学发射器进一步包括失真补偿器，它设置在激光二极管装置的输入侧以预先补偿产生在激光二极管装置的输出侧失真。在此，失真补偿器的补偿特性在激光二极管模块的控制温度处最佳。

附图说明

本发明的上述目的和优点通过参照附图具体描述优选实施例将更加显而易见。

图1是表示根据本发明的第一个实施例的激光二极管装置的结构框图；

图2是表示激光二极管装置的基本部分的具体的示图；

图3是表示在激光二极管装置中的温度控制器的结构的电路图；

图4是表示包含激光二极管装置的光学发射器的结构的框图；

图5是根据本发明的第二个实施例的激光二极管装置的结构的框图；

图6是表示根据本发明的第三实施例的激光二极管装置的结构的框图；

图7是表示根据本发明的第四实施例的激光二极管装置的结构的框图；

具体实施方式

将参考附图描述本发明的优选实施例。

图1是表示根据本发明的第一个实施例的激光二极管装置的结构框图。在此实施例中，例如，非冷却型激光二极管模块11把高频模拟信号转换为输出的光学信号。加热器12保持激光二极管模块11的温度在一个固定温度值。加热器12可以直接安装在激光二极管模块11上，或者安装在例如用于保持激光二极管模块的配合件、板件等的上面。在这种情况下，激光二极管模块11和加热器12可以设置在特制的壳体内。

通过温度控制器13控制加热器12的发热值，以保持激光二极管模块11在一个固定温度值，此温度高于环境温度。在保证使用激光二极管模块11的装置的特定性能的情况下，当装置的工作环境温度规定在-20℃到+40℃的范围内时，温度控制器13工作以保持激光二极管模块11在一个固定温度值。例如，65℃，它高于作为工作环境温度的上限值的40℃。通过这样做，即使环境温度在工作环境温度范围内变化，激光二极管模块11也被保持在固定温度值。稳定可靠地工作在高于工作环境温度的激光二极管模块被用于激光二极管模块11。在这种情况下，此温度大约在65℃。激光二极管模块，优选使用激光二极管模块11，在此情况下可以在大约65℃的高于工作环境温度的温度下工作。

下面将具体描述激光二极管模块11和温度控制器13。

用于发射的高频信号通过失真补偿器14被输入到激光二极管模块11。例如通过利用日本专利公开号10-102718A和9-126284A公开的技术，失真补偿器14补偿作为输入的高频信号的第二和第三失真。特别是，选择失真补偿器的补偿特性以补偿通过在温度控制器13保持的激光二极管模块11的温度下产生的失真。激光二极管模块11把高频输入信号转换成通过光缆输出的光学信号。

激光二极管模块11按如图2所示设置。激光二极管模块11由LD(激光二极管)芯片111，监视PD(光电二极管)112，第一透镜113，隔离物114和第二透镜115组成，并被装入壳体116中。

LD芯片111把外部输入的高频信号转换成激光并输出。通过第一透镜113，隔离物114，第二透镜115和光纤117，激光从激光二极管模块11输出。

监视PD112接收并把从LD芯片111输出的激光转换成电信号以输出到自动功率控制器15。自动功率控制器15根据从监视PD112分离的信号控制LD芯片111的驱动电路。通过控制，从LD芯片111输出的光信号的光输出值一直是恒定的，在二极管模块11是恒流驱动的情况下，当温度上升的时候，从激光二极管模块11输出的光信号输出值降低，并且当温度降低的时候，光信号的光输出值增加。为了处理上述问题，从LD芯片111输出的激光通过监视PD112检测，且LD芯片111的驱动电路通过自动功率控制器15控制以使从此输出的光信号的输出值保持恒定。

加热器12安装在激光二极管模块的外面，即壳体116的外面。而且，热感应元件，例如NTC(负温度系数)热敏电阻器(简称为热敏电阻器)26，安装在激光二极管模块11上，同样，热敏电阻器26可以直接安装在激光二极管模块11上，或者可以安装在，例如用于固定激光二极管模块11的配合元件或板元件上。

热敏电阻器26是用于检测激光二极管模块11温度的元件，并且检测信号被输入到温度控制器13。温度控制器13根据来自热敏电阻器26的检测信号控制加热器12，并保持激光二极管模块11的温度在一个固定值，例如65℃。

温度控制器13按图3所示设置。尤其是，从DC电源电路(未示出)提供的电压Vcc通过加热器12输入到功率晶体管21的集电极，接着通过电阻器22输入到电源线23。包括稳压二极管24和电容器25的并联电路在电源线23和地之间连接，从而在电源线23上的电压保持恒定。

包括串连连接的热敏电阻器26和偏置电阻器27和28的串连电路连接在电源线23和地之间。出现在热敏电阻器26和偏置电阻器27间的节点的分压输入到放大晶体管29的基极。

放大晶体管29通过负载电阻器30在集电极接收电源线23上的电压，并在发射极接地。放大晶体管29的集电极电压通过偏置电阻器31输入到功率晶体管21的基极。功率晶体管21在发射极接地。

在由此构造的温度控制器中，当激光二极管模块11的温度低的时候，热敏电阻器26的温度也是低的，并且它的电阻是大的。相应地，热敏电阻器26和偏置电阻器27间的节点的分压是低的，并且放大晶体管29的基极电流降低。因此，放大晶体管29的集电极电压变高。功率晶体管21的基极电流降低。流入加热器12的电流降低，激光二极管模块11的加热温度提高。

当激光二极管模块11的温度变高时，热敏电阻器26的温度也变高，且它的电阻降低。热敏电阻器26和偏置电阻器27的节点分压升高，且到放大晶体管29的基极电流也升高。因此，放大晶体管29的集电极电压变低，功率晶体管21的基极电流降低，流入激光二极管模块11的电流降低，且激光二极管模块的加热温度降低。

如上所述，控制到加热器12的电流以使激光二极管模块11的温度保持恒定。激光二极管模块11的固定温度可以通过适当选择偏置电阻器27和28的值调节。所以，选择偏置电阻器27和28的值以使激光二极管模块11保持一个合适的温度，例如65℃。

如上所述，加热器12和温度控制器13配合以保持激光二极管模块11在一个固定温度值。所以，产生在激光二极管模块的失真可以保持恒定。在这种状态下，激光二极管模块11和失真补偿器14结合，通过失真补偿器的14的失真补偿在激光二极管模块11被保持的温度(例如65℃)上是最佳的，它保证了大的失真改进。

通过保持激光二极管模块11的整体温度的恒定，不仅LD芯片111的偏差被抑制，而且光学系统，例如第一透镜113、隔离物114和壳体116也被抑制，借此确保阻止跟踪错误。相应地，在激光二极管模块11的输出端的光学信号的输出值可以保持恒定。

当与包含冷却器的激光二极管模块比较时，激光二极管模块11在尺寸上更小，且结构简单，封装本身成本很低。因此，即使设置外部安装的加热器12，激光二极管模块11也可以以低成本制造。

采用如上所述的激光二极管模块11的光学发射器的结构将参考图4描述。输入到输入端41的高频信号通过放大器42放大，通过波形整形器43进行波形整形，通过增益控制器44调节增益。之后，通过放大器45、失真补偿器14和放大器46，把高频信号输入到激光二极管模块11。通过光缆(未示出)，经过设置在前板47的光学连接器48，激光二极管模块11把输入的高频信号转换成光学信号并输出。

激光二极管模块11通过加热器12和温度控制器13的结合保持在一个固定的温度值，且通过自动功率控制器15控制以产生一直具有固定输出值的光学信号。

报警发生器50连接到温度控制器13和自动功率控制器15。报警发生器50监视温度控制器13和自动功率控制器15的工作状态，当它检测到不正常时，它发射一个报警信号给LED(发光装置)驱动器51。

LED驱动器51根据从报警发生器50发出的信号控制设置在前板47上的LED 52的多个状态的开关。LED 52的状态指的是功率状态(POWER)、激光二极管模块11的温度(TEMP)、光学信号的输出状态(OPT PWR)、通过自动功率控制器的LD偏压状态(BIAS)、等等。

因此，可以不使用包含冷却器的激光二极管模块构成显著降低失真发生并降低成本的高性能光学发射器。而且，通过结合激光二极管模块11和失真补偿器14保证了很大的失真改善以使通过失真补偿器14的失真补偿在激光二极管模块11保持的温度下(例如65℃)优化。

本发明的第二个实施例将参考图5描述。如图所示，包括PTC热敏电阻器的恒温热产生体60直接安装在激光二极管模块11的壳体上。电能由电源提供，例如，从AC电源61到PTC热敏电阻器。通过利用PTC热敏电阻器产生的热，激光二极管11的温度保持在高于工作环境温度，例如固定在65℃。激光二极管模块11的失真由失真补偿器14补偿。

PTC热敏电阻器是一个半导体电阻元件，且具有电阻随温度的增加急剧增加的特性。它的转变温度可以通过适当选择材料组分设定。PTC热敏电阻器具有这样的特征：在低温下热敏电阻器的电阻值是低的，并有大电流流过，但是在高于一个给定温度下，它的电阻值急剧提高，并有小电流流过。因此，通过利用上述的温度特性，PTC热敏电阻器可以用作恒温热产生体60的热发生器。

在此结构中，通过使用恒温热产生体60，当激光二极管模块11的温度保持在一个固定值时，温度控制器在结构上可以简化。恒温热产生体60可以直接安装在激光二极管模块11上，或者安装在例如用于固定激光二极管模块11的配合件或板件上。

当激光二极管模块11的温度保持在固定值和当通过失真补偿器14的失真补偿在此温度值优化时，保证了失真的很大的改善。

在第二个实施例中，恒温热产生体60外部安装在激光二极管模块11的壳体上。作为选择，恒温热产生体60也可设置在激光二极管模块11的壳体内，即在LD芯片111附近。LD芯片111的温度保持在一个固定的温度值，例如上述的65℃。在此情况下，恒温热产生体60的引线被引出激光二极管模块11的壳体，并连接到电源上，例如第二个实施例中的AC电源61。

本发明的第三实施例将参考图6描述。在此实施例中，冷却器元件，例如珀尔帖(Peltier)元件71，用在第一实施例中加热器12的位置上。激光二极管模块11的结构类似于图2所示的第一实施例。所以，类似或相同的部分用图2中相同的附图标记表示。

珀尔帖元件71安装在激光二极管模块11的外面，例如，在壳体116的外面。热感应元件，例如热敏电阻器26，也安装在壳体116上。珀尔帖元件71和热敏电阻器26可以安装在例如用于固定激光二极管模块11的配合件或板件上。

热敏电阻器26检测激光二极管模块11的温度，并发出检测信号给温度控制器13。进而，温度控制器13根据来自热敏电阻器26的检测信号控制珀尔帖元件71以使激光二极管模块11保持在一个固定的温度值，例如25℃。

通过温度控制器13控制珀尔帖元件71，激光二极管模块11的整体的温度可以保持在固定的温度值。在第一个实施例中，不仅LD芯片111，而且光学系统的偏差也可以被抑制以阻止跟踪错误并保持光学信号的输出值恒定。

当与包含冷却器的激光二极管模块比较时，激光二极管模块11结构简单，封装本身的成本低廉。因此，即使设置外部安装的珀尔帖元件71，激光二极管模块可以低成本制造。

而且，通过保持激光二极管模块11在一个固定的温度值，产生在激光二极管模块11中的失真可以保持恒定。并且，通过如在第一、第二实施例中所述的结合激光二极管模块11和失真补偿器14，保证了失真的很大的改善，以至于在控制温度下通过失真补偿器14的失真补偿被优化。因此导致了光学发射器的低成本和高性能。

通过温度控制器13，激光二极管模块通常设定和保持在大约25℃。如果必要，激光二极管模块被保持的温度可以高于25℃，例如，65℃。

本发明的第四实施例将参考图7描述。在此实施例中，加热器81包含在非冷却型的激光二极管模块80中。稳定可靠地工作在高于工作环境温度的温度下的激光二极管模块用做激光二极管模块80。例如，此温度大约为65℃。

激光二极管80包含LD芯片111、监视PD112、第一透镜113、隔离物114、第二透镜115和用于加热LD芯片111的加热器81。激光二极管80包含在壳体116中。热感应元件，例如热敏电阻器26设置在壳体116内的LD芯片111附近，并检测LD芯片111或其附近的温度。

从LD芯片111输出的激光通过第一透镜113、隔离物114、第二透镜115和光纤117被导出。

监视PD112接收并把从LD芯片输出的激光转换成输出到外设的自动功率控制器15的电信号。自动功率控制器15根据从监视PD112输出的信号控制从LD芯片111输出的光学信号输出值以使光学输出值保持恒定。

热敏电阻器26连接到设置在激光二极管模块80外面的温度控制器13。热敏电阻器26检测壳体116内的温度，例如，LD芯片111或其附近的温度。温度控制器13通过利用基于检测温度的它的驱动电流控制加热器81的加热值，并保持加热器81的温度在固定的温度值，例如65℃。

稳定可靠地工作在高于正常环境温度的激光二极管模块被用于激光二极管模块80。通过这样做，包含加热器81的激光二极管模块80保持在固定的温度值。结果，使用简单的结构，相当容易地进行温度控制，并导致了成本的降低。

而且，与第一、第二实施例中一样结合激光二极管模块80和失真补偿器14，保证了失真的很大的改善，在控制温度下通过失真补偿器14的失真补偿被优化。因此所得光学发射器具有低成本和高性能。

尽管参照实施例已经示出和描述本发明，但本领域的技术人员从本发明的教导进行各种改变和修改是显而易见的。这种显而易见的变化和修改被视为落入如所附的权利要求所限定的本发明的精神、范围和规划内。

Claims (6)

1.一种光学发射器，用来将输入的电信号转换成要发射的光学信号，该光学发射器包括：

激光二极管装置，其包括：

激光二极管模块，其包括：

模块壳体；

激光二极管芯片，设置在模块壳体内；和

加热器，它加热激光二极管芯片，使得至少激光二极管芯片的温度保持为比室温高的恒定温度；

温度检测器，它检测激光二极管模块的温度；和

温度控制器，它根据激光二极管模块的检测温度而控制加热器的热值；和

失真补偿器，设置在激光二极管装置的输入侧内，以预先补偿在激光二极管装置的输出侧产生的失真，

其中，失真补偿器的补偿特性在激光二极管模块的控制温度处最佳。

2.如权利要求1所述的光学发射器，其中，加热器设置在模块壳体的外面以保持模块壳体温度的恒定。

3.如权利要求1所述的光学发射器，其中，加热器是包括正温度系数热敏电阻器的恒温热产生元件。

4.如权利要求1所述的光学发射器，其中，加热器设置在模块壳体内。

5.如权利要求4所述的光学发射器，其中，激光二极管模块还包括光学系统，从激光二极管芯片发出的激光束穿过此光学系统，

其中，加热器至少加热激光二极管芯片和光学系统。

6.一种光学发射器，用来将输入的电信号转换成要发射的光学信号，该光学发射器包括：

激光二极管装置，其包括：

激光二极管模块，其包括：

模块壳体；

激光二极管芯片，设置在模块壳体内；和

珀尔帖元件，它设置在壳体的外面，以将至少激光二极管芯片的温度保持为比室温高的恒定温度；

温度检测器，它检测激光二极管模块的温度；和

温度控制器，它根据激光二极管模块的检测温度而控制珀尔帖元件的工作状态；和

失真补偿器，设置在激光二极管装置的输入侧内，以预先补偿在激光二极管装置的输出侧产生的失真，

其中，失真补偿器的补偿特性在激光二极管模块的控制温度处最佳。

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