DE19756953A1

DE19756953A1 - Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE19756953A1
Application number: DE19756953A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Ema
Original assignee: Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-20
Publication date: 1998-07-02
Also published as: CA2224969A1; US6012291A; JPH10187253A; CA2224969C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperatursteuer vorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung, wel che eine Umgebung benötigt, in der sich die Temperatur wenig ändert, insbesondere eine solche mit Temperaturer fassungspunkten, an denen die optische Halbleitereinrich tung an beiden Seiten eingeklemmt ist, wobei einer von ihnen für eine Umgebungstemperatur empfindlich ist und der andere nicht für die Umgebungstemperatur empfindlich ist, im Vergleich zur optischen Halbleitereinrichtung in bezug auf die Umgebungstemperatur, und wobei eine mittlere Tem peratur an beiden Temperaturerfassungspunkten konstant ist, wodurch die Temperatur der optischen Halbleitereinrichtung gesteuert wird.

Eine herkömmliche Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung dieses Typs wird verwendet, damit die Temperatur einer optischen Halbleitereinrichtung usw. konstant gehalten werden kann. Fig. 4 ist ein Block schaubild, das ein Beispiel eines Aufbaues der herkömmli chen Temperatursteuervorrichtung einer optischen Halblei tereinrichtung zeigt. In Fig. 4 besteht ein thermischer Leiter 2 aus einem Material mit hoher thermischer Leitfä higkeit, so wie Kupfer, Eisen, usw. Eine optische Halblei tereinrichtung 1 ist an einer Oberfläche 2a des thermi schen Leiters 2 befestigt, und ein Peltier-Element 5 ist an einer Seitenfläche des thermischen Leiters 2 an einer Verbindungsfläche 5a angebracht.

Eine Temperaturerfassungsschaltung 6 erfaßt die Differenz zwischen einer Temperatur des thermischen Leiters 2 an einem Temperaturerfassungspunkt 12, an dem die optische Halbleitereinrichtung 1 befestigt ist und einer Einstell temperatur und gibt ein Temperaturerfassungssignal an eine Temperatursteuerschaltung 4 aus. Die Temperatursteuer schaltung 4 steuert einen Peltier-Treiberstrom, der auf das Peltier-Element 5 in Antwort auf das Temperaturerfas sungssignal aufgegeben wird. Das Peltier-Element 5 ändert die Temperatur der Verbindungsfläche 5a des thermischen Leiters 2 beim Empfang des Peltier-Treiberstroms, so daß die Temperatur der optischen Halbleitereinrichtung 1 über den thermischen Leiter 2 gesteuert wird.

Die Arbeitsweise der Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung wird nun beschrieben wer den. Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, werden die Temperatur der optischen Halbleitereinrichtung 1 und die des thermischen Leiters 2, an dem die optische Halbleiter einrichtung 1 befestigt ist, auch geändert. Die Tempera turerfassungsschaltung 6 erfaßt die Differenz zwischen der Temperatur des Temperaturerfassungspunktes 12 und der Ein stelltemperatur und gibt ein Temperaturerfassungssignal an die Temperatursteuerschaltung 4 aus. Die Temperatur steuerschaltung 4 steuert den Peltier-Treiberstrom, der auf das Peltier-Element 5 aufgegeben wird, um so eine ne gative Rückkopplung in Antwort auf das Temperaturerfas sungssignal sicherzustellen.

Wenn der Peltier-Treiberstrom, der auf das Peltier-Element 5 aufgegeben wird, in seiner Richtung geändert wird, wird der thermische Leiter 2 abgekühlt, oder die Temperatur des Temperaturerfassungspunktes 12 des erwärmten thermischen Leiters 2 wird zu einer Einstelltemperatur. Auf diese Wei se wird, wenn die Temperatur des thermischen Leiters 2 erfaßt wird, um die Temperatur der Temperatursteuervor richtung einer optischen Halbleitereinrichtung gesteuert, so daß die Temperatur des thermischen Leiters 2 konstant gehalten werden kann, wodurch die Temperatur der optischen Halbleitereinrichtung 1, die an dem thermischen Leiter 2 befestigt ist, konstant gehalten wird.

Jedoch hat die herkömmliche Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung ein Problem dahin gehend, daß der Temperaturerfassungspunkt 12 von der opti schen Halbleitereinrichtung 1 beabstandet ist und er somit auf die Umgebungstemperatur empfindlich ist, so daß eine Temperaturdifferenz zwischen dem Temperaturerfassungspunkt 12 und der optischen Halbleitereinrichtung 1 auftritt.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halbleiter einrichtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, die Temperatur einer optischen Halbleitereinrichtung selbst dann konstant zu halten, wenn ein Teil des thermi schen Leiters einer Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, da die Temperaturänderung der optischen Halbleitereinrichtung durch die Anstiegs- oder Abfalländerung der Temperatur des thermischen Leiters, verursacht durch den Einfluß der Um gebungstemperatur, einer Wärmequelle usw., beherrscht wird.

Um die obige Aufgabe zu lösen, weist eine Temperatursteu ervorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung einen thermischen Leiter 2, an dem eine optische Halbleitereinrichtung 1 befestigt ist, ein Peltier-Element 5, das an dem thermischen Leiter 2 befe stigt ist, zwei Thermistoren 11a und 11b, die an dem ther mischen Leiter 2 an Stellen befestigt sind, an denen sie stärker oder schwächer einer Umgebungstemperatur ausge setzt sind, als die optische Halbleitereinrichtung 1 der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, um so die Temperaturen des thermischen Leiters 2 an zwei Punkten zu erfassen, eine Temperaturerfassungseinrichtung 3 zum Erfassen der Differenz zwischen einer mittleren Temperatur des thermi schen Leiters 2 an zwei Punkten, erfaßt durch die Thermi storen 11a und 11b, und einer festgelegten Einstelltempe ratur und zum Ausgeben eines Temperaturerfassungssignals, und eine Temperatursteuerschaltung 4 zum Ausgeben eines Peltier-Treiberstroms an das Peltier-Element 5 in Antwort auf das Temperaturerfassungssignal auf, um somit die opti sche Halbleitereinrichtung 1 über den thermischen Leiter 2 konstant zu halten.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaubild, das ein Beispiel einer Tem peratursteuervorrichtung einer optischen Halb leitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfin dung zeigt;

Fig. 2 ein Schaltdiagramm, das eine Temperaturerfas sungsschaltung der Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine Ansicht, die die Beziehung zwischen einer Umgebungstemperatur und Temperaturen der Thermi storen zeigt; und

Fig. 4 ein Blockschaubild, das eine herkömmliche Tempe ratursteuervorrichtung für eine optische Halb leitereinrichtung zeigt.

Eine Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halb leitereinrichtung der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben werden, die ein Blockschau bild darstellt, welches eine Struktur der Temperatursteu ervorrichtung einer optischen Halbleitereinrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Eine optische Halbleitereinrichtung 1 weist eine Laserdio de, eine LED, eine Photodiode usw. auf. Ein thermischer Leiter 2 umfaßt einen Block, bestehend aus einem Material mit einer ausgezeichneten Leitfähigkeit, so wie Kupfer oder Eisen. Die optische Halbleitereinrichtung 1 ist an einer Oberfläche 2a des thermischen Leiters 2 befestigt, und ein Peltier-Element 5 ist an einer Verbindungsfläche 5a des thermischen Leiters 2 an einer seiner Seitenflächen angebracht.

Thermistoren 11a und 11b sind jeweils an der Oberfläche 2a des thermischen Leiters 2 befestigt, wo sie stärker oder schwächer einer Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, als die optische Halbleitereinrichtung 1 der Umgebungstempera tur ausgesetzt ist. Das heißt, die Temperatursteuervor richtung einer optischen Halbleitereinrichtung ist in ei ner solchen Weise angeordnet, daß die optische Halbleiter einrichtung 1 in der Position durch die Thermistoren 11a und 11b eingeschlossen ist, wobei sich der Thermistor 11a an dem Teil befindet, wo er der Umgebungstemperatur stär ker ausgesetzt ist, als die optische Halbleitereinrichtung 1 der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, während der Thermistor 11b sich an dem Teil befindet, an dem er kaum der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, während die opti sche Halbleitereinrichtung 1 der Umgebungstemperatur aus gesetzt ist.

Die Thermistoren 11a und 11b erfassen die Temperatur des thermischen Leiters 2 an zwei Punkten seiner Oberfläche 2a und liefern die erfaßte Ausgabe an eine Temperaturerfas sungseinrichtung 3 (hiernach als eine Temperaturerfas sungsschaltung 3 bezeichnet). Die Temperaturerfassungs schaltung 3 erhält die erfaßte Ausgabe von den Thermisto ren 11a und 11b, verstärkt die Differenz zwischen einer mittleren Temperatur des thermischen Leiters 2 an zwei Punkten seiner Oberfläche 2a und einer zuvor festgelegten Einstelltemperatur und gibt ein Temperaturerfassungssignal an die Temperatursteuereinrichtung 4 (hiernach als Tempe ratursteuerschaltung 4 bezeichnet) aus.

Die Temperatursteuerschaltung 4 steuert einen Peltier- Treiberstrom, der an ein Peltier-Element 5 gegeben wird, um so eine negative Rückkopplung in Antwort auf das Tempe raturerfassungssignal zu erzeugen. Wenn der Peltier-Trei berstrom auf das Peltier-Element 5 aufgegeben wird, ändert das Peltier-Element 5 die Temperatur der Verbindungsfläche 5a, die an den thermischen Leiter 2 angeschlossen ist, und steuert die Temperatur der optischen Halbleitereinrichtung 1 über den thermischen Leiter 2.

Die Arbeitsweise der Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung wird nun beschrieben wer den. Die Thermistoren 11a und 11b erfassen die Temperatu ren der Oberfläche 2a des thermischen Leiters 2 an zwei Punkten, an denen sie angeordnet sind. Die erfaßten Aus gaben der Thermistoren 11a und 11b werden jeweils an die Temperaturerfassungsschaltung 3 gegeben. Wenn die Umge bungstemperatur sich in diesem Zustand ändert, verstärkt die Temperaturerfassungsschaltung 3 die Differenz zwischen einer mittleren Temperatur der Oberfläche 2a des thermi schen Leiters 2 an zwei Punkten, an denen die Thermistoren 11a und 11b angeordnet sind, und einer zuvor festgelegten Einstelltemperatur und gibt dann ein Temperaturerfassungs signal aus.

Die Temperatursteuerschaltung 4 steuert einen Peltier- Treiberstrom, der auf das Peltier-Element 5 aufgegeben wird, um so eine negative Rückkopplung in Antwort auf das Temperaturerfassungssignal sicherzustellen. Der thermische Leiter 2 wird in Antwort auf die Richtung des Peltier- Treiberstroms, der auf das Peltier-Element 5 aufgegeben wird, abgekühlt oder erwärmt, und eine mittlere Tempera tur, die von den Thermistoren 11a und 11b des thermischen Leiters 2 erfaßt wird, wird die Einstelltemperatur. Die Temperatur der optischen Halbleitereinrichtung 1, die an dem thermischen Leiter 2 befestigt ist, bleibt konstant, indem die Temperatur des thermischen Leiters 2 an zwei Punkten durch die Thermistoren 11a und 11b erfaßt wird und die Temperatur gesteuert wird, damit es möglich wird, daß die mittlere Temperatur, die von den Thermistoren 11a und 11b erfaßt wird, konstant bleibt.

Fig. 3 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur und einer Temperatur 111a des Thermi stors 11a und einer Temperatur 111b des Thermistors 11b bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Der Thermistor 11a ist der Umgebungstemperatur stärker ausgesetzt als die optische Halbleitereinrichtung 1 der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, da er sich verglichen mit der optischen Halbleitereinrichtung 1 in dem Bereich entfernt von dem Peltier-Element 5 befindet. Der Thermi stor 11b ist der Umgebungstemperatur weniger ausgesetzt, als die optische Halbleitereinrichtung 1 der Umgebungstem peratur ausgesetzt ist, da er sich im Vergleich zu der optischen Halbleitereinrichtung 1 in dem Bereich nahe dem Peltier-Element 5 befindet. Als ein Ergebnis tritt eine Temperaturdifferenz zwischen dem Thermistor 11a und dem Thermistor 11b auf. Da der Thermistor 11a der Umgebungs temperatur stärker ausgesetzt ist, erhöht sich die Tempe ratur 111a des Thermistors 11a mit dem Anwachsen der Umge bungstemperatur.

Andererseits, da die Temperatur 111b des Thermistors 11b gesteuert wird, so daß die mittlere Temperatur der Thermi storen 11a und 11b konstant wird, sinkt die Temperatur 111b des Thermistors 11b mit dem Anwachsen der Umgebungs temperatur. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die optische Halbleitereinrichtung 1 mittwegs zwischen den Thermistoren 11a und 11b angeordnet, so daß die Temperatur der optischen Halbleitereinrichtung 1 eine Temperatur wird, die zwischen der Temperatur des Thermistors 11a und der des Thermistors 11b liegt, so daß die Temperaturände rung der optischen Halbleitereinrichtung 1 durch den Ein fluß der Umgebungstemperatur beherrscht wird.

Wenn die optische Halbleitereinrichtung 1 Wärme erzeugt, wird, da die optische Halbleitereinrichtung 1 derart ange ordnet, daß die optische Halbleitereinrichtung 1 eine Tem peratur hat, die zwischen den Temperaturen der Thermisto ren 11a und 11b liegt, die Temperaturänderung der opti schen Halbleitereinrichtung 1 aufgrund des Einflusses der Umgebungstemperatur beherrscht.

Der innere Aufbau der Temperaturerfassungsschaltung 3 wird nun beschrieben werden. Fig. 2 ist ein Blockschaubild, das den Aufbau der Temperaturerfassungsschaltung 3 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Temperaturerfassungsschaltung in Fig. 2 weise eine Brüc kenschaltung, die aus dem Thermistor 11a und dem Thermi stor 11b mit derselben Kennlinie, einem Widerstand 30a und einem Widerstand 30b gebildet wird und eine Differenzver stärker 31 zum Empfangen ungleicher bzw. unausgeglichener Spannungsausgaben 30c und 30b auf. Der Thermistor 11a und der Thermistor 11b, die miteinander über die Widerstände 30a und 30b verbunden sind, bilden die gegenüberliegenden Seiten der Brückenschaltung 30.

Da die negative Rückkopplung sichergestellt ist, so daß das Erfassungssignal der Temperaturerfassungsschaltung 0 V wird, ist die Brückenschaltung 30 in einem normalen Zustand immer ausgeglichen. Der folgende Ausdruck (1) wird aufgestellt, wobei angenommen wird, daß eine Einstelltem peratur T0 ist, eine Temperatur des Thermistors 11a T0 + t1 ist und eine Temperatur des Thermistors 11b T0 - t2 ist:

R1 × R2 = RTH (T0 + t1) × RTH (T0 - t2) (1)

R1: Widerstandswert des Widerstands 30a
R2: Widerstandswert des Widerstands 30b
RTH (T0 + t1): Widerstandswert des Thermistors 11a
RTH (T0 - t2): Widerstandswert des Thermistors 11b

R1 × R2 wird durch den folgenden Ausdruck (2) ausgedrückt, wobei angenommen wird, daß t1 = t2 = 0.

R1 × R2 = RTH (T0)² (2).

Den folgenden Ausdruck (4) erhält man durch den Ausdruck, der die Reziehung zwischen dem Widerstandswert der Thermi storen und der Temperatur zeigt, ausgedrückt durch den folgenden Ausdruck (3) und den Ausdruck (1).

RTH (K1) = RTH (K0) × EXP {B × (1/K1 - 1/K0)} (3)

RTH (K1): Widerstandswert des Thermistors bei der Temperatur K1 (K)
KTH (K0): Widerstandswert des Thermistors bei der Temperatur K0 (K)
B: Konstante B
RTH (T0)² = RTH (T0)² × EXP {B × (1/(T0 + t1) + 1/(T0 - t2) - 2/T0)} (4)

Den folgenden Ausdruck erhält man, wenn man nach t1 des Ausdrucks (4) auflöst:

t1 = T0 × t2/(T0 - 2t2) (5)

Da T0 normalerweise ungefähr 300 K beträgt und sehr groß in bezug auf die Differenz 2t2 zwischen der Einstelltempe ratur T0 und der Temperatur des Thermistors 11b ist, be steht der folgende Näherungsausdruck, wobei angenommen wird, daß T0 - 2t0 ≈ T0

t1 ≈ t2 (6).

Da die Temperatur des Thermistors 11a durch T0 + t1 ausge drückt wird und die Temperatur des Thermistors 11b durch T0 - t1 aus Ausdruck (6) ausgedrückt wird, wird der Mit telwert von Thermistor 11a und 11b wie folgt ausgedrückt und wird normalerweise zu T0.

(T0 + t1 + T0 - t1)/2 = T0 (7)

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform benutzen die Ther mistoren 11a und 11b jeweils Thermistoren mit 10 kΩ bei 25°C, und sie sind an dem thermischen Leiter 2 an Berei chen befestigt, wo sie der Umgebungstemperatur stärker oder schwächer ausgesetzt sind, als die optische Halblei tereinrichtung 1 der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen der optischen Halb leitereinrichtung 1 und dem Thermistor 11a gleich der zwi schen der optischen Halbleitereinrichtung 1 und dem Ther mistor 11b ist, kann die Temperaturänderung minimiert wer den. Da die Widerstände 30a und 30b Thermistoren mit 10 kΩ bei 25°C benutzen, haben sie nach Ausdruck (2) 10 kΩ. Die Konstante B des Thermistors kann ein beliebiger Wert sein.

Gemäß der Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung werden zwei Temperaturerfassungspunkte auf dem thermischen Leiter zur Verfügung gestellt, an dem die optische Halbleiterein richtung befestigt ist, und die optische Halbleiterein richtung befindet sich an dem Zwischenbereich zwischen den beiden Temperaturerfassungspunkten, wobei der thermische Leiter derart gesteuert wird, daß die mittlere Temperatur an den beiden Punkten konstant wird, so daß die Tempera turvariation der optischen Halbleitereinrichtung aufgrund der Temperatursteigung des thermischen Leiters beherrscht wird, die durch den Einfluß der Umgebungstemperatur oder anderer Wärmequellen oder dergleichen hervorgerufen wird.

Demgemäß kann die Temperatur der optischen Halbleiterein richtung immer konstant gehalten werden, selbst wenn die Struktur der Temperatursteuervorrichtung einer optischen Halbleitereinrichtung als ein Teil des thermischen Leiters der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

optische Halbleitereinrichtung

2

thermischer Leiter

2

a Oberfläche des thermischen Leiters

2

3

Temperaturerfassungseinrichtung

4

Temperatursteuereinrichtung

5

Peltier-Element

5

a Verbindungsfläche

6

Temperaturerfassungsschaltung

11

a Thermistor

11

b Thermistor

12

Temperaturerfassungspunkt

30

Brückenschaltung

30

a Widerstand

30

b Widerstand

30

c Spannungsausgabe

30

d Spannungsausgabe

31

Differentialverstärker

111

a Temperatur des Thermistors

11

a

111

b Temperatur des Thermistors

11

b

Claims

1. Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halb leitereinrichtung, mit:
einem thermischen Leiter (2), an dem eine optische Halbleitereinrichtung (1) befestigt ist;
einem Peltier-Element (5), das an dem thermischen Leiter (2) befestigt ist;
zwei Thermistoren (11a und 11b), die an dem thermi schen Leiter (2) an Stellen befestigt sind, an denen sie einer Umgebungstemperatur stärker oder schwächer ausgesetzt sind, als die optische Halbleitereinrich tung (1) der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, um so die Temperatur des thermischen Leiters (2) an zwei Punkten zu erfassen;
einer Temperaturerfassungseinrichtung (3) zum Erfas sen der Differenz zwischen einer mittleren Tempera tur des thermischen Leiters (2) an zwei Punkten, erfaßt durch die Thermistoren (11a und 11b), und einer vorbestimmten Einstelltemperatur, so daß ein Temperaturerfassungssignal ausgegeben wird; und
einer Temperatursteuerschaltung (4) zum Ausgeben eines Peltier-Treiberstromes an das Peltier-Element (5) in Antwort auf das Temperaturerfassungssignal, so daß die optische Halbleitereinrichtung (1) über den thermischen Leiter (2) konstant gehalten wird.

2. Temperatursteuervorrichtung für eine optische Halb leitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperaturerfassungseinrichtung (3) eine Brückenschaltung (30) mit den Thermistoren (11a und 11b), die so miteinander verbunden sind, daß sie die gegenüberliegenden Seiten der Brückenschaltung (30) bilden, und mit einem Diffe rentialverstärker (31) zum Empfangen einer unausge glichenen Spannung der Brückenschaltung (30), auf weist.