JP2005072197A

JP2005072197A - 高温動作レーザダイオード装置

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Publication number: JP2005072197A
Application number: JP2003298849A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Saitou; 也寸志斎藤; Toshihiro Hosoya; 敏裕細谷; Hirobumi Higuchi; 博文樋口
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】レーザダイオードモジュールの動作温度を一定に保持し、温度変動に伴う性能劣化を防止すると共に安価に構成でき、高速・長距離伝送が可能な高温動作レーザダイオード装置を提供する。
【解決手段】高温での動作に最適化した非冷却型のレーザダイオードモジュール１１にヒータ１２及び感熱素子１３を装着し、上記ヒータ１２を温度コントロール回路１４によって制御する。温度コントロール回路１４は、感熱素子１３によりレーザダイオードモジュール１１の温度を検出し、その検出信号に基づいてヒータ１２の電流を制御し、レーザダイオードモジュール１１の温度を一定に保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却する必要の無い高温動作レーザダイオードモジュールを用いた高温動作レーザダイオード装置に関する。

従来、光データ信号を伝送する光信号伝送システムにおいては、電気信号を光信号に変換するためにレーザダイオードモジュールが用いられているが、１Ｇｂｐｓ程度以下の中低速用及び１０〜２０ｋｍ程度以下の中・短距離では、一般に非冷却型のものが使用されている。

レーザダイオードは、図６に示すように温度によりしきい値電流や電流−光出力特性が大幅に変化するという特性を持っている。図６は、レーザダイオードの電流対光出力特性の一例を示したもので、横軸に電流をとり、縦軸に光出力をとって示した。

上記したようにレーザダイオードは、温度によりしきい値電流や電流−光出力特性が大幅に変化するため、温度が変化した場合には発光遅れによるジッターの増加や消光比の劣化を招き、データのエラーレートが劣化するという問題がある。そのため、高速・長距離伝送用のレーザダイオードモジュールとしては、クーラーを内蔵してレーザダイオードチップを２５℃程度の一定の温度に保つようにした冷却型のものが使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、上記冷却型レーザダイオードモジュールは、構造が複雑で非常に高価なものとなっている。
特開平５−９０６９８号公報

上記のように、冷却型レーザダイオードモジュールは構造が複雑で非常に高価であり、また、非冷却型レーザダイオードモジュールは安価ではあるが、温度変動による性能劣化のため高速・長距離用途には使用できないという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、動作温度を一定に保持して温度変動に伴う性能劣化を防止でき、高速・長距離伝送が可能であり、かつ小形で安価に構成し得る高温動作レーザダイオード装置を提供することを目的とする。

本発明に係る高温動作レーザダイオード装置は、デジタル電気信号を光信号に変換する非冷却型レーザダイオードモジュールと、前記レーザダイオードモジュールを加熱するヒータと、前記レーザダイオードモジュールの温度を検出する感熱素子と、前記感熱素子の検出信号に基づいて前記ヒータの発熱量を制御して前記レーザダイオードモジュールの温度を一定に保持する温度コントロール回路とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、高温での動作に最適化した非冷却型のレーザダイオードモジュールの温度を温度コントロール回路により一定に保持でき、温度変動に伴う性能劣化を防止して高速・長距離伝送が可能な高温動作レーザダイオード装置を提供することができる。また、非冷却型であるので構造が非常に簡単であり、小型でかつ安価に構成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザダイオード装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、１１は非冷却型のレーザダイオードモジュールで、外部から入力されるデータ信号例えば高速のデジタル電気信号を光信号に変換し、光ケーブルを介して外部に出力する。上記レーザダイオードモジュール１１には、例えばケースの外側にヒータ１２が取り付けられると共に、例えば負特性サーミスタ等の感熱素子１３が取り付けられる。この場合、ヒータ１２及び感熱素子１３は、レーザダイオードモジュール１１に直接、あるいはレーザダイオードモジュール１１の保持金具や保持基板等に装着される。

上記ヒータ１２の発熱量は、温度コントロール回路１４によって制御され、レーザダイオードモジュール１１を周囲温度より高い一定の温度に保持するようになっている。すなわち、温度コントロール回路１４は、例えばレーザダイオードモジュール１１を使用する装置の動作周囲温度の規格が−２０°〜＋４０°で所要の性能が維持されることを保証している場合、レーザダイオードモジュール１１を上記動作周囲温度の上限値である４０℃より高い温度、例えば６５℃の一定温度に保持するように動作する。この結果、レーザダイオードモジュール１１は、周囲温度が上記動作周囲温度の範囲内で変化しても一定温度に保たれる。なお、レーザダイオードモジュール１１としては、上記動作周囲温度より高い温度、この場合には６５℃前後の温度で良好に動作するものを使用する。
上記温度コントロール回路１４は、図２に示すように構成される。すなわち、直流電源回路（図示せず）から供給されるＶｃｃ電圧がヒータ１２を介してパワートランジスタ２１のコレクタに入力されると共に、抵抗２２を介して電源ライン２３に与えられる。この電源ライン２３と接地間には、定電圧ダイオード２４とコンデンサ２５の並列回路が設けられ、電源ライン２３の電圧を一定に保持している。

また、電源ライン２３と接地間には、上記感熱素子１３に対してバイアス抵抗２７、２８を直列に接続した直列回路が設けられ、感熱素子１３とバイアス抵抗２７との接続点における分圧電圧が増幅用トランジスタ２９のベースに入力される。

また、増幅用トランジスタ２９は、コレクタに電源ライン２３の電圧が負荷抵抗３０を介して入力され、エミッタが接地される。また、増幅用トランジスタ２９のコレクタ電圧は、バイアス抵抗３１を介してパワートランジスタ２１のベースに入力される。このパワートランジスタ２１は、エミッタが接地される。

上記の構成において、レーザダイオードモジュール１１の温度が低い場合、それに伴って感熱素子１３の温度も低く、その抵抗値が大きくなるので、感熱素子１３とバイアス抵抗２７との間の分割電圧が低くなり、増幅用トランジスタ２９のベース電流が低下する。この結果、増幅用トランジスタ２９のコレクタ電圧が高くなり、パワートランジスタ２１のベース電流が増大し、ヒータ１２に流れる電流が増大してレーザダイオードモジュール１１に対する加熱温度が上昇する。

上記レーザダイオードモジュール１１の温度が高くなると、それに伴って感熱素子１３の温度も高くなり、その抵抗値が小さくなるので、感熱素子１３とバイアス抵抗２７との間の分割電圧が高くなり、増幅用トランジスタ２９のベース電流が増大する。この結果、増幅用トランジスタ２９のコレクタ電圧が低くなり、パワートランジスタ２１のベース電流が減少し、ヒータ１２に流れる電流が減少してレーザダイオードモジュール１１に対する加熱温度が下降する。

上記のようにして温度コントロール回路１４により、レーザダイオードモジュール１１の温度が一定となるようにヒータ１２に対する電流制御が行なわれる。上記レーザダイオードモジュール１１に対する設定温度は、バイアス抵抗２７、２８の値によって調整することができる。従って、レーザダイオードモジュール１１が最適温度例えば６５℃に保たれるようにバイアス抵抗２７、２８の値が設定される。

上記のように温度コントロール回路１４において、感熱素子１３の検出信号に基づいてヒータ１２に流れる電流を制御することにより、レーザダイオードモジュール１１を常に一定の温度に保持することができ、温度変動に伴ってレーザダイオードモジュール１１で発生するジッターや消光比の劣化を防止することができる。

また、上記レーザダイオードモジュール１１は、冷却型のレーザダイオードモジュールに比較し、小型であると共に構造が非常に簡単であり、安価に構成することができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について図３を参照して説明する。
この第２実施形態に係るレーザダイオードモジュール装置は、図３に示すようにレーザダイオードモジュール１１のケースに定温発熱体４０を装着し、レーザダイオードモジュール１１の温度を一定に保持するようにしたものである。

上記定温発熱体４０は、正特性サーミスタを用いて構成したもので、上記正特性サーミスタに電源例えば交流電源４１を供給し、正特性サーミスタの発熱を利用してレーザダイオードモジュール１１を動作周囲温度より高い温度、例えば６５℃の一定温度に保持する。

上記正特性サーミスタは、半導体抵抗素子で、温度の上昇に伴って急激に抵抗値が増大する性質を有し、そのスイッチング温度を材料組成によって設定することができる。正特性サーミスタは、低温域では抵抗値が低く大きな電流が流れるが、一定の温度以上になると急激に抵抗値が増大し、殆ど電流を流さない特性を有している。従って、正特性サーミスタは、上記の温度特性を利用して定温発熱体４０の発熱素子として用いることができる。

上記のように正特性サーミスタによる定温発熱体４０を使用してレーザダイオードモジュール１１の温度を一定に保持することにより、温度コントロール回路を簡略化することができる。上記定温発熱体４０は、レーザダイオードモジュール１１に直接装着する他、例えばレーザダイオードモジュール１１の保持金具や保持基板等に装着しても良い。

なお、上記第２実施形態では、定温発熱体４０をレーザダイオードモジュール１１のケースに外付けして用いた場合について示したが、上記定温発熱体４０をレーザダイオードモジュール１１のケース内、例えばＬＤチップの近傍に設け、該ＬＤチップの温度を上記したように６５℃等の一定温度に保持するようにしても良い。この場合、定温発熱体４０は、そのリード線をレーザダイオードモジュール１１のケースから外部に導出し、上記第２実施形態で示したように交流電源４１に接続して使用する。

（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について図４を参照して説明する。
この第３実施形態は、図４に示すように非冷却型のレーザダイオードモジュール１１内にヒータを内蔵させた場合について示したもので、レーザダイオードモジュール１１として動作周囲温度より高い温度、例えば６５℃等の温度で良好に動作するものを使用する。

上記レーザダイオードモジュール１１は、ＬＤチップ（レーザダイオードチップ）１１１、モニタＰＤ（フォトダイオード）１１２、第１のレンズ１１３、アイソレータ１１４、第２のレンズ１１５、及び上記ＬＤチップ１１１等を加熱するヒータ１２からなり、ケース５１内に収納する。また、上記ケース５１内には、例えばＬＤチップ１１１の近傍に負特性サーミスタ等の感熱素子１３を装着し、ＬＤチップ１１１あるいはその近傍の温度を検出する。上記ヒータ１２は、少なくともＬＤチップ１１１を加熱できるものであればよい。

上記ＬＤチップ１１１から出力されるレーザ光は、第１のレンズ１１３、アイソレータ１１４、第２のレンズ１１５及び光ファイバ１１６を介して外部に取り出される。

また、上記モニタＰＤ１１２は、ＬＤチップ１１１から出力されるレーザ光を受光して電気信号に変換し、外部に設けられているＡＰＣ（Automatic Power Control）回路１５に出力する。ＡＰＣ回路１５は、モニタＰＤ１１２からの信号に基づいてＬＤチップ１１１の光出力が常に一定となるように制御する。

また、上記感熱素子１３は、レーザダイオードモジュール１１の外部に設けられる温度コントロール回路１４に接続される。温度コントロール回路１４は、感熱素子１３によりケース５１内の温度、例えばＬＤチップ１１１の温度あるいはその近傍の温度を検出し、その温度検出信号に基づいてヒータ１２の発熱量を駆動電流により制御し、レーザダイオードモジュール１１の温度を一定値、例えば６５℃程度に保持するように動作する。

上記レーザダイオードモジュール１１として常温より高い温度例えば６５℃で良好に動作するものを使用することにより、レーザダイオードモジュール１１にヒータ１２を内蔵させて温度を一定値に保持することが可能となり、簡単な構成で温度制御をきわめて容易に行なうことができる。従って、温度変動に伴って発生するジッターや消光比の劣化を確実に防止でき、高速・長距離伝送が可能な非冷却型のレーザダイオードモジュール１１を構成することができる。

（第４実施形態）
次に、上記レーザダイオードモジュール１１を使用したデジタル光信号送信機の構成例について、図５を参照して説明する。
図５において、入力されたデータ信号は、レーザ駆動回路６２を介してレーザダイオードモジュール１１に入力される。レーザダイオードモジュール１１は、データ信号を光信号に変換し、光コネクタ６３より光ケーブル６４を介して外部に出力する。

また、レーザダイオードモジュール１１には、図１に示したようにヒータ１２及び感熱素子１３が装着されると共に、図４に示したＡＰＣ回路１５が接続される。温度コントロール回路１４は、感熱素子１３の検知信号に基づいてレーザダイオードモジュール１１を６５℃等の一定の温度に保持する。また、ＡＰＣ回路１５は、レーザダイオードモジュール１１の光出力が常に一定となるように制御する。

更に、上記温度コントロール回路１４及びＡＰＣ回路１５には、アラーム検知回路６５が接続される。アラーム検知回路６５は、温度コントロール回路１４及びＡＰＣ回路１５の動作状態を監視し、異常を検知した場合にアラーム信号をアラーム表示部６６に出力する。

上記アラーム表示部６６は、例えばＬＥＤを用いて構成され、アラーム検知回路６５の出力信号に基づいてＬＥＤを駆動し、温度コントロール回路１４及びＡＰＣ回路１５の動作状態あるいはアラーム表示等を行なう。

上記レーザダイオードモジュール１１は、温度コントロール回路１４により常に一定の温度に保持されるので、温度変動に伴って発生するジッターや消光比の劣化等が防止される。また、レーザダイオードモジュール１１は、ＡＰＣ回路１５により光出力が制御され、光出力信号のレベルが常に一定に保持される。

上記のように非冷却型のレーザダイオードモジュール１１を使用し、ヒータ１２、感熱素子１３及び温度コントロール回路１４によってレーザダイオードモジュール１１の温度を一定に保持することにより、冷却型のレーザダイオードモジュールを使用することなく、ジッターの発生や消光比の劣化等を防止でき、高速・長距離伝送用の高性能なデジタル光信号送信機を構成することができる。

なお、図５では、レーザダイオードモジュール１１にヒータ１２を外部に設けた場合について示したが、ヒータ１２に代えて図３に示したように定温発熱体４０を用いた場合であっても、あるいは図４に示したようにレーザダイオードモジュール１１内にヒータ１２を設けた場合であっても、同様にして実施し得るものである。更に、上記定温発熱体４０をレーザダイオードモジュール１１の内部に設けた場合であっても良い。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の第１実施形態に係るレーザダイオード装置の構成図である。同実施形態における温度コントロール回路の詳細な構成例を示す図である。本発明の第２実施形態に係るレーザダイオード装置の構成図である。本発明の第３実施形態に係るレーザダイオード装置の構成図である。本発明に係るレーザダイオード装置を用いた光送信機の構成例を示すブロック図である。レーザダイオードの電流対光出力特性の一例を示す図である。

符号の説明

１１…レーザダイオードモジュール、１２…ヒータ、１３…感熱素子、１４…温度コントロール回路、１５…ＡＰＣ回路、２１…パワートランジスタ、２２…抵抗、２３…電源ライン、２４…定電圧ダイオード、２５…コンデンサ、２７、２８…バイアス抵抗、２９…増幅用トランジスタ、３０…負荷抵抗、３１…バイアス抵抗、４０…定温発熱体、４１…交流電源、５１…ケース、６２…レーザ駆動回路、６３…光コネクタ、６４…光ケーブル、６５…アラーム検知回路、６６…アラーム表示部、１１１…ＬＤチップ、１１２…モニタＰＤ、１１３…第１のレンズ、１１４…アイソレータ、１１５…第２のレンズ、１１６…光ファイバ。

Claims

デジタル電気信号を光信号に変換する非冷却型レーザダイオードモジュールと、前記レーザダイオードモジュールを加熱するヒータと、前記レーザダイオードモジュールの温度を検出する感熱素子と、前記感熱素子の検出信号に基づいて前記ヒータの発熱量を制御して前記レーザダイオードモジュールの温度を一定に保持する温度コントロール回路とを具備したことを特徴とする高温動作レーザダイオード装置。