DE10042022A1

DE10042022A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Temperatur des laseraktiven Bereiches einer Halbleiterlaserdiode

Info

Publication number: DE10042022A1
Application number: DE10042022A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Kuhn; Hans-Ludwig Dr Althaus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2002-03-07
Also published as: EP1310023A2; WO2002013340A3; US20030156606A1; WO2002013340A2; US6853657B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur des laseraktiven Bereichs einer Halbleiterlaserdiode. Erfindungsgemäß wird ein definierter Messstrom (Im), der kleiner als der Schwellstrom der Halbleiterdiode (HLD) ist, in Durchlassrichtung durch die Halbleiterdiode (HLD) geleitet, die dabei über der Halbleiterlaserdiode (HLD) abfallende Flussspannung (Uf) gemessen und aus der gemessenen Fulussspannung (Uf) anhand einer Eichkurve die Temperatur des laseraktiven Bereichs der Halbleiterlaserdiode (HLD) bestimmt. Die Erfindung ermöglicht eine einfache und präzise Bestimmung der Temperatur des laseraktiven Bereichs einer Halbleiterdiode, wobei eine Temperaturmessung nicht über zusätzliche Messelemente, sondern die physikalische Halbleitereigenschaft der Temperaturabhängigkeit der Flussspannung der Halbleiterdiode erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur des laseraktiven Bereiches einer Halbleiterlaserdiode gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.

Es ist allgemein bekannt, dass die Ausgangsleistung und die Wellenlänge des Lichtes einer Halbleiterlaserdiode (HLD) tem peraturabhängig sind.

Insbesondere in der optischen Nachrichtentechnik ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, dass Ausgangsleistung und Wellenlänge der Lichtpulse der eingesetzten Halbleiterdiode in einem sehr engen Toleranzbereich so konstant wie möglich gehalten werden. In Systemen, die beispielsweise im sogenannten dichten Wellenlängenmultiplex- Verfahren (DWDM) betrieben werden, beträgt der Abstand zwischen den einzelnen Signalkanälen nur 0,8 nm.

Soll sowohl die Wellenlänge als auch die Ausgangsleistung des Halbleiterdioden-Lichtes stabilisiert werden, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein. Die erste notwendige Voraussetzung besteht darin, die Halbleiterdiode mit einem konstanten Diodenstrom zu betreiben. Eine Verstimmung des Di odenstromes würde nämlich nicht nur zu einer Änderung der Ausgangsleistung, sondern auch zu einer Temperaturänderung des laseraktiven pn-Überganges führen und somit eine Verstim mung der Wellenlänge des Lichtes der Halbleiterdiode nach sich ziehen.

Daraus folgt direkt die zweite notwendige Voraussetzung, die Stabilisierung der Temperatur des laseraktiven Bereiches der Halbleiterdiode.

Hierzu sind aus dem Stand der Technik verschiedene Regelungs verfahren bekannt.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Temperatur der Halbleiterdiode mit Hilfe eines Kaltleiters bzw. Temperatursensors zu bestimmen, der in der Nähe des Läsermoduls, etwa am Rand der Halbleiterdiode angeordnet ist. Das durch den Sensor erzeugte Signal kann dann beispielsweise zur Regelung eines Peltier-Elementes dienen, mit dem die Halbleiterdiode in Wärmekontakt steht.

Der entscheidende Parameter ist jedoch die Temperatur des la seraktiven Bereiches der Halbleiterdiode, die je nach Geometrie der Halbleiterdiode und den thermischen Umgebungs bedingungen deutlich (z. B. bis zu 40°C) von der gemessenen Temperatur am Rande der Halbleiterdiode abweichen kann. Der wesentliche Nachteil dieser indirekten Messmethode besteht darin, dass die Halbleiterdiode bei unterschiedlichen Umge bungsbedingungen und Diodenströmen durchaus die gleiche Randtemperatur aufweisen kann. Im laseraktiven Bereich der Halbleiterdiode können dabei aber durchaus unterschiedliche Temperaturen herrschen, so dass die Halbleiterdiode bei gleichen Regelsignalen eine unterschiedliche Ausgangsleistung und Wellenlänge aufweist.

Ein weiterer Nachteil dieser Methode liegt darin begründet, dass sich nach einer Änderung der Temperatur des Peltier-Ele mentes das neue thermische Gleichgewicht der Halbleiterdiode erst nach einer gewissen Zeitkonstanten einstellt. Aus diesem Grund unterliegt die Regelung dieser Zeitkonstanten, was bei hochfrequent modulierten Halbleiterdiode zu Problemen hin sichtlich der Stabilität der Temperaturregelung führen kann.

Eine weitere Möglichkeit der Temperaturregelung besteht darin, mit Hilfe einer Monitordiode die Ausgangsleistung eines Teiles des emittierten Lichtes der Halbleiterdiode zu kontrollieren. Ändert sich die Ausgangsleistung, so wird das gemessene Änderungssignal an eine Regelschaltung abgegeben. Diese Methode weist zwar den Vorteil auf, dass Änderungen der Temperatur des laseraktiven Bereiches ohne thermische Zeit konstante an der Monitordiode detektiert werden können, ist aber in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Lasers und vom angewendeten Modulationsverfahren technologisch aufwendig und teuer, da eine zusätzliche Messdiode in das System integriert werden muss.

Wenn man lediglich an einer stabilen Ausgangsleistung des Halbleiterdiode-Lichtes interessiert ist und geringe Schwan kungen der Wellenlänge in Kauf nimmt, so kann in der zuvor beschriebenen Anordnung das detektierte Änderungssignal der Ausgangsleistung dazu verwendet werden, den Diodenstrom der Halbleiterdiode so zu regeln, dass die Ausgangsleistung sta bilisiert wird. Diese Lösung weist jedoch ebenfalls die genannten Nachteile auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfah ren und eine Vorrichtung zur einfachen und präzisen Bestim mung der Temperatur des laseraktiven Bereiches einer Halbleiterdiode bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Danach sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass ein definierter Messstrom Im, der kleiner ist als der Schwell strom der Halbleiterdiode, in Durchlaßrichtung durch die Halbleiterdiode geleitet, die dabei über der Halbleiterlaser diode abfallende Flussspannung gemessen und aus der gemessenen Flussspannung anhand einer Eichkurve die Tempera tur des laseraktiven Bereiches der Halbleiterlaserdiode be stimmt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt insofern einen völlig neuen Weg bei der Temperaturmessung einer Halbleiterdiode ein, als eine Temperaturmessung nicht über zusätzliche Meß elemente, sondern die physikalische Halbleitereigenschaft der Temperaturabhängigkeit der Flussspannung der Halbleiterdiode erfolgt. Dabei wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass sich die Flussspannung einer Halbleiterdiode beim Betrieb mit einem in Durchlassrichtung fließenden konstanten Messstrom, der unterhalb des Schwellstroms liegt, mit der Temperatur des laseraktiven Bereiches der Halbleiterdiode verändert.

Die genaue Temperaturabhängigkeit der Flussspannung wird für eine Halbleiterdiode individuell anhand einer aufzunehmenden Eichkurve bestimmt, die bei vorgegebenem Meßstrom die Abhängigkeit der Flussspannung von der Temperatur der Halbleiterdiode darstellt. Die Eichkurve für die jeweilige Halbleiterdiode wird bevorzugt bereits beim Modulhersteller ermittelt.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht erstmals eine Bestimmung der Temperatur unmittelbar am Ort der Lichterzeugung, d. h. am pn-Übergang der Halbleiterdiode, so dass eine hochpräzise Messung der Temperatur erfolgen kann. Aufgrund des Umstandes, dass zusätzliche Meßelemente wie Mo nitordioden zur Temperaturmessung nicht erforderlich sind, handelt es sich zusätzlich um eine einfache und kostengünstige Lösung.

Da ein nahezu linearer funktionaler Zusammenhang zwischen Flussspannung und Temperatur des laseraktiven Bereiches einer Halbleiterdiode besteht (ca. -1,2 mv/K), genügt es zwei bis drei Messwerte aufzunehmen, um die Kennlinie der Flussspannung in dem für den Betrieb der Halbleiterdiode relevanten Temperaturbereich zu erhalten. Anhand der Daten dieser Kennlinie kann durch Messung der Flussspannung die Temperatur des laseraktiven Bereiches der Halbleiterdiode jederzeit präzise und unabhängig von den thermischen Umge bungsbedingungen sowie der Geometrie der Halbleiterdiode bestimmt werden.

Für die Messung der Flussspannung wird der Betrieb der Halbleiterdiode bevorzugt unterbrochen. Die Unterbrechung ist kurz und beträgt typischerweise etwa eine Mikrosekunde. Während der Dauer der Unterbrechung liegt ein Messintervall vor, in dem lediglich der konstante Messstrom durch die Halbleiterdiode fließt und die dabei an der Halbleiterdiode abfallende Flussspannung gemessen wird. Eine nur kurze Unterbrechung ist dabei sinnvoll, um zum einen die Datenübertragung nur kurz zu unterbrechen und zum anderen keine Abkühlung der Halbleiterdiode aufgrund des unterbrochenen Betriebs herbeizuführen.

Die Unterbrechungen erfolgen bevorzugt in regelmäßigen Ab ständen. Der zeitliche Abstand solcher Messintervalle sollte sich dabei nach den Änderungsgeschwindigkeiten und Änderungs wahrscheinlichkeiten der Umgebungstemperatur richten und kann zwischen ca. 1 Sekunde und mehr als einer Stunde liegen.

Es ist von Vorteil, wenn der verwendete Messstrom möglichst klein ist, d. h. im Bereich weniger Milliampere liegt, damit entstehende ohmsche Wärme nicht zu einer Verfälschung des Messergebnisses führt.

Die gemessene Temperatur des laseraktiven Bereiches einer Halbleiterlaserdiode wird bevorzugt einer Steuereinrichtung zur Regelung der Ausgangsleistung und/oder der Wellenlänge des emittierten Lichts der Halbleiterlaserdiode als Regelgrö ße zugeführt. Die Regelung kann dabei abhängig von den jeweiligen technischen Anforderungen sowohl über den Dioden strom als auch über eine extern veränderbare Temperatur der Halbleiterdiode erfolgen.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist folgende Elemente auf: a) Mittel zur Erzeugung eines definierten, konstanten Meßstroms, b) Mittel zur Erfassung einer Flussspannung, die an einer Halbleiterlaserdiode abfällt, durch die der definierte Messstrom in Durchlassrichtung geleitet wird, und c) Mittel, die aus der gemessenen Flussspannung anhand einer Eichkurve die Temperatur des laseraktiven Bereichs der Halbleiterlaserdiode bestimmen. Die Messvorrichtung führt dabei das oben erläuterte Verfahren aus.

Bevorzugt weist die Messvorrichtung zusätzlich Steuermittel auf, die einen Laserbetrieb der Halbleiterdiode unterbrechen und während der Unterbrechung die Mittel zur Erzeugung eines definierten, konstanten Meßstroms aktivieren, so daß im Meßintervall der Unterbrechung eine Temperaturmessung über die Flussspannung der Halbleiterdiode erfolgen kann. Die Steuermittel unterbrechen den Laserbetrieb der Halbleiterdi ode dabei bevorzugt periodisch.

Die bevorzugte Verwendung der Erfindung besteht darin, die ermittelte Temperatur des aktiven Bereichs der Halbleiterla serdiode als Temperatur-Istwert einer Steuerschaltung zur Re gelung der Ausgangsleistung und/oder der Wellenlänge des emittierten Lichts einer Halbleiterlaserdiode zuzuführen. Die Steuerschaltung regelt dabei in an sich bekannter Weise die Ausgangsleistung der Halbleiterlaserdiode.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Schaltungsanordnung mit einer Halbleiterdiode;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperaturmessung;

Fig. 3a schematisch einen ersten zeitlichen Diodenstrom verlauf einer Halbleiterdiode bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3b schematisch einen zweiten zeitlichen Dioden stromverlauf einer Halbleiterdiode bei Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 4 schematisch den Aufbau einer Messvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des laseraktiven Bereiches einer Halbleiterdiode.

In Fig. 1 zeigt schematisch einen Schaltungsaufbau mit einer Halbleiterdiode HLD, deren Temperatur bestimmt werden soll. Die Halbleiterdiode HLD wird durch eine regelbare Konstant stromquelle KS mit Strom versorgt, wobei die Konstantstromquelle KS verschiedene Diodenströme Id bereitstellen kann.

Bei Messung der Temperatur des aktiven Bereichs der Halbleiterlaserdiode HLD fließt ein konstanter Messstrom Im in Durchlassrichtung durch die Halbleiterdiode HLD. Dabei wird die über der Halbleiterdiode HLD abfallende Flussspannung Uf gemessen.

Fig. 2 zeigt die Verfahrensschritte bei der Durchführung des Messverfahrens. Wenn die Halbleiterdiode HLD im Betriebsmodus ist, muß zunächst der Messmodus aktiviert werden, das heißt, der normale Betrieb der Halbleiterdiode HLD wird unterbrochen und der Messstrom Im, der kleiner als der Schwellstrom der Halbleiterdiode HLD ist, in Durchlassrichtung durch die Halbleiterdiode HLD geschickt (Schritte 201, 202). Daraufhin erfolgt die Messung der über der Halbleiterdiode HLD abfallenden Flussspannung Uf (Schritt 203). Nach Beendigung dieser Messung, die beispielsweise eine Mikrosekunde dauert, wird die Diode HLD wieder mit dem Betriebsstrom Ib betrieben (Schritt 204).

Aus der gemessenen Flussspannung Uf wird anhand einer zuvor ermittelten Eichkurve bzw. Kennlinie die Temperatur des laseraktiven Bereiches der Halbleiterdiode ermittelt (Schritt 205). Die Eichkurve gibt für den fest vorgegebenen Messstrom Im die Flussspannung in Abhängigkeit von der Temperatur an.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gemäß Fig. 2 in einen Steuer- und Regelkreis zur Regelung der Laserausgangsleistung eines Halbleiterlaserdiode integriert. Dabei wird zunächst der ermittelte Istwert I_st der Temperatur des laseraktiven Bereiches der Halbleiterdiode HLD mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen (Schritt 206). Liegt die Abweichung von Ist- und Sollwert innerhalb eines vorgegebenen Toleranzberei ches, so erfolgt zu gegebener Zeit eine erneute Temperaturmessung, ohne dass ein Regelsignal erzeugt wird.

Liegt die Abweichung der gemessenen Temperatur außerhalb des Toleranzbereiches, so wird ein Regelsignal generiert, dass beispielsweise die Temperatur der Halbleiterdiode oder den Diodenstrom der Halbleiterdiode ansteuert (Schritte 207, 208). Danach werden die Verfahrensschritte des erfinderischen Verfahrens im nächstfolgenden Messintervall erneut durchlau fen.

In Fig. 3a ist schematisch der zeitliche Verlauf des Diodenstromes Id einer Halbleiterdiode dargestellt, bei der die Temperatur des laseraktiven Bereiches wie oben beschrieben gemessen wird. Der Diodenstrom Id ist während des Betriebmodus gleich dem Betriebsstom Ib und während der peri odisch beabstandeten Messintervalle M, die jeweils einen Zeitraum Tm umfassen, gleich dem Messstrom Im. Ib liegt dabei oberhalb des Schwellstroms der Halbleiterdiode und Im unterhalb des Schwellstroms. Der Zeitraum Tm beträgt typischerweise etwa eine Mikrosekunde. Der zeitliche Abstand zwischen den Meßintervallen M richtet sich nach dem gegebenen Anwendungsfall und kann zwischen etwa 1 Sekunde und mehr als einer Stunde liegen.

In Fig. 3b ist dargestellt, dass es ebensogut möglich ist, die Messintervalle M nicht periodisch zu beabstanden. Die Auslösung einer Temperaturmessung könnte dabei beispielsweise durch äußeren Parameter ausgelöst werden.

Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau einer Messvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des laseraktiven Bereiches einer Halbleiterdiode. Es ist eine Vorrichtung I vorgesehen, die während eines Messintervalles M die über der Halbleiterdiode HLD abfallende Flussspannung Uf erfasst. Mit der Vorrichtung 1 ist eine weitere Vorrichtung 2 verbunden, die anhand der Daten einer vorgegebenen Eichkurve aus der erfassten Flussspannung die Temperatur des laserakti ven Bereiches bestimmt. Die Temperaturdaten der Messvorrichtung werden an eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zur Regelung der Laserausgangsleistung der Halbleiterdiode HLD geleitet, die abhängig von dem Istwert der Temperatur den durch die regelbare Konstantstromquelle KS bereitgestellten Diodenstrom Id regelt sowie eine Umschaltung zwischen Betriebsmodus und Messmodus vornimmt.

Die Vorrichtungen 1 und 2 sind funktionell zu verstehen und können als Software oder Hardware realisiert werden, wobei die Vorrichtungen auch in einer Einheit zusammengefaßt oder als Teil der Steuereinrichtung zur Regelung der Laserausgangsleistung der Halbleiterdiode ausgebildet sein können.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zur Erfassung der Flussspannung

2

Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des laseraktiven Bereichs der Halbleiterdiode
HLD Halbleiterdiode
Im Messstrom
Id Diodenstrom
Ib Betriebsstrom
Uf Flussspannung
KS Konstantstromquelle
M Messintervall
Tm Dauer des Messintervalls

Claims

1. Verfahren zur Messung der Temperatur des laseraktiven Be reiches einer Halbleiterlaserdiode, dadurch gekennzeichnet, dass

a) ein definierter Messstrom (Im), der kleiner als der Schwellstrom der Halbleiterdiode (HLD) ist, in Durchlaßrich tung durch die Halbleiterdiode (HLD) geleitet,
b) die dabei über der Halbleiterlaserdiode (HLD) abfallende Flussspannung (Uf) gemessen und
c) aus der gemessenen Flussspannung (Uf) anhand einer Eich kurve die Temperatur des laseraktiven Bereichs der Halblei terlaserdiode (HLD) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eichkurve die Abhängig keit zwischen der Flussspannung (Uf) und der Temperatur des laseraktiven Bereiches der Halbleiterlaserdiode (HLD) bei konstanten Messstrom (Im) darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussspannung (Uf) innerhalb zeitlicher Messintervalle gemessen wird, in denen der Laserbetrieb der Halbleiterlaserdiode (HLD) unterbrochen wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass ein möglichst geringer, bevorzugt im Milliamperebereich liegender Messstrom (Im) verwendet wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Temperatur des laseraktiven Bereichs der Halblei terlaserdiode (HLD) einer Steuereinrichtung zur Regelung der Ausgangsleistung und/oder der Wellenlänge des emittierten Lichts der Halbleiterlaserdiode (HLD) zugeführt wird.

6. Messvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des laserak tiven Bereiches einer Halbleiterlaserdiode, gekennzeichnet durch

a) Mittel (KS) zur Erzeugung eines definierten, konstanten Meßstroms (Im),
b) Mittel (1) zur Erfassung einer Flussspannung (Uf), die an einer Halbleiterlaserdiode (HLD) abfällt, durch die der definierte Messstrom (Im) in Durchlassrichtung geleitet wird, und
c) Mittel (2), die aus der gemessenen Flussspannung (Uf) anhand einer Eichkurve die Temperatur des laseraktiven Bereichs der Halbleiterlaserdiode (HLD) bestimmen.

7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Steuermittel vorgesehen sind, die einen Laserbetrieb der Halbleiterdiode (HLD) unterbrechen und während der Unterbrechung die Mittel (KS) zur Erzeugung eines definierten, konstanten Meßstroms (Im) aktivieren.

8. Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel den Laserbetrieb der Halbleiterdiode (HLD) periodisch unterbre chen.