JP2006286737A - 発光素子モジュール、電気／光変換装置および光送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｅ／Ｏ変換装置内のメモリに発光素子の特性を記憶しておき、発光素子の温度特性等に対応できるようにした場合、発光素子の初期特性のばらつきについての問題は解決することができず、Ｅ／Ｏ変換装置の調整・検査は必要となる。
【解決手段】Ｅ／Ｏ変換装置に用いる発光素子モジュール１０において、発光素子１２と同じパッケージ１１内に、当該発光素子１２の特性データを格納する不揮発性メモリ１４を収納し、Ｅ／Ｏ変換装置１０の起動時に不揮発性メモリ１４にアクセスし、当該不揮発性メモリ１４に格納されている特性データを読み込んで、当該特性データを基に発光素子１２に対して最適な駆動条件を設定するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子モジュール、当該発光素子モジュールを組み込んだ電気／光変換装置および当該電気／光変換装置を用いた光送信装置に関する。

光通信システムを構築する光送信装置では、電気／光変換装置（以下、「Ｅ／Ｏ変換装置」と記す）の変換素子として、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子が用いられている。この半導体発光素子は、その特性のばらつきが通常の電気回路用半導体ＩＣに比べて大きかったり、あるいはその動作条件が厳密に求められたりする。

そのため、Ｅ／Ｏ変換装置へ半導体発光素子を組み込んだ後に、当該発光素子の特性や動作条件を調整・検査する必要があった。この調整・検査工程では、例えば、発光素子が最適な駆動条件となるようにバイアス電流と変調電流の調整が行われる。発光素子や光学系等の特性のばらつきは、この調整・検査工程で吸収される。

しかし、発光素子の製造工程では、組立後に発光素子の特性をあらかじめ全数検査するということは通常に行われている。したがって、検査済みの発光素子をＥ／Ｏ変換装置へ組み込んだ後、再度当該発光素子について調整・検査するのは部分的に重複する作業を行っていることであり、無駄である。

このような無駄を省くために、従来、例えば光通信モジュールにおいて、Ｅ／Ｏ変換装置内のメモリに発光素子の特性を記憶しておき、発光素子の温度特性等に対応できるようにした技術がある（例えば、特許文献１参照）。また、発光素子の特性を動作中に監視することにより、光信号を安定化させるようにした技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１６２８１１号公報 特開平７−２３１３０４号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来技術では、発光素子の初期特性のばらつきについての問題は解決することができず、Ｅ／Ｏ変換装置の調整・検査は必要となる。一方、特許文献２記載の従来技術については、データ信号のパターンによりその動作点が動き、さらに発光素子の構造が複雑になる等の理由から、実際に使用することは難しい。

また、Ｅ／Ｏ変換装置が単独でのテストが可能である場合には、調整・検査を比較的容易に行うことができるが、Ｅ／Ｏ変換装置から調整用のテスト信号を出力するのが困難である場合や、Ｅ／Ｏ変換後の光出力を評価するのが難しい場合なども考えられ、このような場合にはＥ／Ｏ変換装置の調整・検査は難しいという問題がある。複数の発光素子をアレイ状、マトリクス状に配置した場合には、Ｅ／Ｏ変換装置の調整・検査はさらに難しい問題となる。

そこで、本発明は、電気／光変換装置に組み込んだ後の調整・検査の作業を省き、調整コストと工数の削減を可能にした発光素子モジュール、当該発光素子モジュールを組み込んだ電気／光変換装置および当該電気／光変換装置を用いた光送信装置を提供することを目的とする。

本発明による発光素子モジュールは、発光素子と、前記発光素子と同じパッケージ内に収納され、当該発光素子の特性データを格納する不揮発性メモリとを具備する構成となっている。そして、この発光素子モジュールは、電気／光変換装置に組み込まれて電気／光変換素子として用いられる。この発光素子モジュールを組み込んだ電気／光変換装置は、光通信システムを構築する光送信装置に用いられる。

上記構成の発光素子モジュール、当該発光素子モジュールを組み込んだ電気／光変換装置または当該電気／光変換装置を用いた光送信装置において、発光素子と同じパッケージ内に、当該発光素子の特性データを格納する不揮発性メモリを具備することで、例えば電気／光変換装置の起動時に不揮発性メモリにアクセスし、当該不揮発性メモリに格納されている特性データを読み込んで、当該特性データを基に発光素子に対して最適な駆動条件を設定することが可能になる。これにより、発光素子の特性ばらつきを吸収でき、しかも電気／光変換装置での調整・検査工程を省略することが可能になる。

本発明によれば、発光素子と同じパッケージに不揮発性メモリを収納し、当該不揮発性メモリに発光素子の特性データを格納するようにしたことで、当該特性データを基に最適な駆動条件を設定することによって発光素子の特性ばらつきを吸収でき、しかも電気／光変換装置での調整・検査工程を省略できるため調整コストと工数の削減が可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［発光素子モジュール］
図１は、本発明の一実施形態に係る発光素子モジュールの構成の概略を示す断面図である。また、図２は、光学部品を除いた状態での発光素子モジュールの上面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る発光素子モジュール１０は、パッケージ１１、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子（以下、単に「発光素子」と記す）１２、モニタ素子１３、不揮発性メモリ１４およびレンズ１５等を有する構成となっている。

発光素子１２、モニタ素子１３および不揮発性メモリ１４は、サブマウント部材１６に搭載されて同じパッケージ１１内に収納されている。モニタ素子１３は、フォトダイオード等の受光素子からなり、発光素子１２の近傍に配置されることで、当該発光素子１２の光出力強度をモニタし、その光出力強度に比例したモニタ信号を出力する。

不揮発性メモリ１４には、本発光素子モジュール１０の検査工程で、その検査結果である発光素子モジュール１０の特性データが記憶される。ここで、発光素子モジュール１０の特性データとしては、発光素子１２の電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性、微分効率、微分抵抗、しきい値電流およびモニタ電流、さらには発光素子１２およびモニタ素子１２のそれぞれの温度特性等が挙げられる。これらの特性データを基に、本発光素子モジュール１０をＥ／Ｏ変換装置（電気／光変換装置）に組み込んだ際に、当該Ｅ／Ｏ変換装置のバイアス電流、変調電流、温度特性等が決められる。

レンズ１５は、レンズ保持スリーブ１７によって保持され、発光素子１２との光学的位置関係を保った状態でパッケージ１１に固定される。レンズ１５とレンズ保持スリーブ１７は、発光素子１２が発する光を外部の光伝送媒体、例えば光ファイバーに光学的に結合する光学系を構成している。

本実施形態に係る発光素子モジュール１０はさらに、例えば６本の端子２１〜２６を有している。これら６本の端子２１〜２６は、パッケージ１１を貫通して設けられている。６本の端子２１〜２６のうち、端子２１は発光素子モジュール１０内に電源電圧ＶＣＣを供給する端子、端子２２は接地（ＧＮＤ）端子である。

また、端子２３は発光素子１２のカソードが接続されるカソード端子、端子２４はモニタ素子１３、例えばフォトダイオードのアノードが接続されるモニタ端子、端子２５は不揮発性メモリ１４にデータ信号を供給するデータ端子、端子２６は不揮発性メモリ１４にクロック信号を供給するクロック端子である。

図３に、本発光素子モジュール１０の等価回路（電気系の接続）を示す。図３から明らかなように、本発光素子モジュール１０において、電源端子２１からモジュール１０内に取り込まれる電源電圧ＶＣＣは、発光素子１２のアノード、モニタ素子のカソードおよび不揮発性メモリ１４の電源ラインに供給される。ＧＮＤ端子２２は、不揮発性メモリ１４の接地ラインに接続される。

また、カソード端子２３を介して外部の変調回路（図示せず）から発光素子１４に対して変調電流が供給されることで、当該発光素子１４が発光／非発光の動作を行う。このとき、モニタ素子１３は、発光素子１２の光出力強度をモニタし、その光出力強度に比例したモニタ信号を、モニタ端子２４を介して外部へ出力する。

不揮発性メモリ１４に対しては、データ端子２５およびクロック端子２６を用いてシリアル通信にてアクセスが行われる。このときのアクセス速度は約４００ｋｂｐｓ程度である。光通信の用途では、この程度のアクセス速度で十分である。そして、クロック端子２６から供給されるクロック信号に同期して、不揮発性メモリ１４に対してデータ信号の書き込み／読み出しが行われる。

上述したように、発光素子１２と同じパッケージ１１内に、当該発光素子１２の特性データを格納する不揮発性メモリ１４を具備することで、例えば本発光素子モジュール１０をＥ／Ｏ変換装置にＥ／Ｏ変換素子として用いた場合において、例えばＥ／Ｏ変換装置の起動時に不揮発性メモリ１４にアクセスし、当該不揮発性メモリ１４に格納されている特性データを読み込んで、当該特性データを基に発光素子１２に対して最適な駆動条件を設定することが可能になる。これにより、発光素子１２の特性ばらつきを吸収でき、しかもＥ／Ｏ変換装置での調整・検査工程を省略することができるため調整コストと工数の削減が可能になる。

なお、本実施形態では、発光素子モジュール１０内に搭載される発光素子１２が一つの場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、発光素子モジュール１０内に搭載される発光素子１２が複数の場合にも同様に適用可能である。この場合には、複数の発光素子の特性データを個別に不揮発性メモリ１４に格納するようにすれば良い。

また、上記実施形態では、不揮発性メモリ１４のアクセス方式として、データ端子２５およびクロック端子２６を介してアクセスする２線アクセス方式を例に挙げたが、これ以外のアクセス方式を採ることも可能である。以下に、他のアクセス方式を採る発光素子モジュール１０の変形例について説明する。

（第１変形例）
図４は、第１変形例に係るアクセス方式を採る発光素子モジュール１０Ａの等価回路を示す回路図である。

本発光素子モジュール１０Ａは、図３のデータ端子２５とクロック端子２６を兼用してデータ・クロック端子２７とし、データ信号とクロック信号の伝送を１線で行う１線アクセス方式を採用している。

このように、不揮発性メモリ１４のアクセス方式として１線アクセス方式を採用することで、不揮発性メモリ１４を発光素子モジュール１０Ａ内に収納するに当たって追加するピン（端子）数が１ピンで済むため、パッケージ１１を複雑化することなく、また簡単な組立作業にて、所期の目的を達成できる利点がある。

（第２変形例）
図５は、第２変形例に係るアクセス方式を採る発光素子モジュール１０Ｂの等価回路を示す回路図である。

本発光素子モジュール１０Ｂは、図３のデータ端子２５とクロック端子２６を省略し、データ信号とクロック信号を電源電圧ＶＣＣに重畳して伝送するアクセス方式を採用している。これにより、不揮発性メモリ１４を発光素子モジュール１０Ｂ内に収納するに当たって新たにピンを追加する必要がないため、より簡単な構成にて所期の目的を達成できる利点がある。

（第３変形例）
図６は、第３変形例に係るアクセス方式を採る発光素子モジュール１０Ｃの等価回路を示す回路図である。

本発光素子モジュール１０Ｃは、図３のデータ端子２５とクロック端子２６を省略し、データアクセスにＲＦ（無線周波数）アクセスを用いたアクセス方式を採用している。このＲＦアクセスは、不揮発性メモリ１４としてＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)用のワンチップ無線メモリ（不揮発性メモリ）１４′を用いることで実現できる。

このように、データアクセスにＲＦアクセスを用いたアクセス方式を採用することで、第２変形例の場合と同様に、不揮発性メモリ１４を発光素子モジュール１０Ｃ内に収納するに当たって新たにピンを追加する必要がないため、より簡単な構成にて所期の目的を達成できる利点がある。

以上説明した本実施形態に係る発光素子モジュール１０およびその変形例に係る発光素子モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、Ｅ／Ｏ変換装置に組み込まれて、当該Ｅ／Ｏ変換装置におけるＥ／Ｏ変換素子として用いられる。

［Ｅ／Ｏ変換装置］
図７は、本発明に係るＥ／Ｏ変換装置の構成を示す回路図である。図３に示すように、本発明に係るＥ／Ｏ変換装置３０は、Ｅ／Ｏ変換素子である発光素子モジュール３１と、当該発光素子モジュール３１内の発光素子を駆動する発光素子駆動回路３２を有する構成となっている。

そして、発光素子モジュール３１として、先述した実施形態に係る発光素子モジュール１０またはその変形例に係る発光素子モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが用いられる。この発光素子モジュール３１において、レーザダイオード等の発光素子１２は、励起電流のしきい値電流Ｉｔｈ以上の電流を変化することによって直接変調ができる。

発光素子駆動回路３２は、ＡＰＣ(Auto Power Control;自動光出力制御)回路３２１、変調回路３２２および駆動条件設定回路３２３を有する構成となっている。

ＡＰＣ回路３２１は、発光素子モジュール３１内の発光素子１２に対してインダクタＬを介して直列に接続され、当該発光素子１２に対してその動作点を決めるバイアス電流Ｉｂｉａｓを流すバイアス電流源（図示せず）を有するとともに、モニタ素子１３の出力電圧（モニタ信号）をＡＰＣ設定電圧と比較し、その差分電圧に応じてバイアス電流Ｉｂｉａｓを制御することにより、発光素子１２の光出力を常に一定にする制御を行う。

変調回路３２２は、その出力端がコンデンサＣを介して発光素子１２のカソードにＡＣ結合されており、ＡＰＣ回路３２１によって設定されるバイアス電流Ｉｂｉａｓに対し、クロックやデータ等の信号を振幅変調として重畳することによって発光素子１２を駆動する。これにより、発光素子１２は、電流の変化にほぼ直線的に比例した被変調出力光を出力する。

駆動条件設定回路３２３は、Ａ／Ｄ変換器を内蔵しており、本Ｅ／Ｏ変換装置３０の起動時に、発光素子モジュール３１内の不揮発性メモリ１４にアクセスし、当該不揮発性メモリ１４に格納されている発光素子１２の特性データを読み込んで、当該特性データを基に発光素子１２に対して最適な駆動条件を設定する。具体的には、変調回路３２２の変調電流やＡＰＣ回路のＡＰＣ設定電圧などの設定を行う。

駆動条件設定回路３２３はさらに、温度特性を持たない（０ｐｐｍ）変調電流源と、例えば５０００ｐｐｍの温度特性を持つ変調電流源とを有し、これら２つの変調電流源の出力振幅で発光素子１２を駆動するようにすることで、２つの変調電流源の温度特性の比により、変調電流Ｉｍｏｄに対して任意の温度特性を設定することができる。

また、発光素子１２の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサで検出した温度を基に、不揮発性メモリ１４に格納されている特性データから発光素子１２の最適な動作点を設定するようにすることも可能である。

上述したように、Ｅ／Ｏ変換装置３０において、発光素子モジュール３１として、先述した本実施形態に係る発光素子モジュール１０またはその変形例に係る発光素子モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、即ち発光素子１２と同じパッケージ１１内に、当該発光素子１２の特性データを格納する不揮発性メモリ１４を具備する発光素子モジュールを用いることで、本Ｅ／Ｏ変換装置３０の起動時に不揮発性メモリ１４にアクセスし、当該不揮発性メモリ１４に格納されている特性データを読み込んで、当該特性データを基に発光素子１２に対して最適な駆動条件を設定することができるため、発光素子１２の特性ばらつきを吸収でき、しかもＥ／Ｏ変換装置３０での調整・検査工程を省略することができるため調整コストと工数の削減が可能になる。

かかるＥ／Ｏ変換装置３０は、例えば、光通信システムを構築する光送信装置の発光素子モジュールとして用いることができる。

［光送信装置］

図８は、本発明が適用される光通信システムの構成の概略を示すブロック図である。図８に示すように、本光通信システムは、光送信装置４０、光伝送媒体５０および光受信装置６０によって構成されている。

光送信装置４０は、レーザダイオード等の発光素子を含む発光素子モジュール４１と、この発光素子モジュール４１内の発光素子をクロックやデータ等の信号に応じて駆動（変調）する発光素子駆動回路４２を有する構成となっている。光伝送媒体５０は、例えば光ファイバからなり、発光素子モジュール４１から出力される光信号を光受信装置６０側へ伝送する。光受信装置６０は、光伝送媒体５０によって伝送された光信号を受光するフォトダイオード等の受光素子６１と、この受光素子６１の受光出力を復調する復調回路６２を有する構成となっている。

上記構成の光通信システムにおける光送信装置６０のＥ／Ｏ変換装置として、図７に示すＥ／Ｏ変換装置３０、即ち発光素子モジュール４１として先述した実施形態に係る発光素子モジュール１０またはその変形例に係る発光素子モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを用い、発光素子駆動回路４２として図７の発光素子駆動回路３２を用いたＥ／Ｏ変換装置３０が用いられる。

光通信では光出力振幅の減少が通信エラーの大きな原因となるが、図７に示すＥ／Ｏ変換装置３０を用いることで、当該Ｅ／Ｏ変換装置３０は、発光素子１２の特性ばらつきを吸収でき、しかもＥ／Ｏ変換装置３０での調整・検査工程を省略することができる利点を持つことから、光送信装置６０の調整コストと工数の削減が可能になる

なお、ここでは、光通信システムにおける光送信装置に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではなく、発光素子モジュールや変調回路等を含むＥ／Ｏ変換回路を用いる装置全般に対して適用可能である。

本発明の一実施形態に係る発光素子モジュールの構成の概略を示す断面図である。 光学部品を除いた状態での発光素子モジュールの上面図である。 発光素子モジュールの等価回路を示す回路図である。 第１変形例に係るアクセス方式を採る発光素子モジュールの等価回路を示す回路図である。 第２変形例に係るアクセス方式を採る発光素子モジュールの等価回路を示す回路図である。 第３変形例に係るアクセス方式を採る発光素子モジュールの等価回路を示す回路図である。 本発明に係るＥ／Ｏ変換装置の構成を示す回路図である。 本発明が適用される光通信システムの構成の概略を示すブロック図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，３１，４１…発光素子モジュール、１１…パッケージ、１２…半導体発光素子、１３…モニタ素子、１４，１４′…不揮発性メモリ、１５…レンズ、１７…レンズ保持スリーブ、３０…Ｅ／Ｏ（電気／光）変換装置、３２，４２…発光素子駆動回路、４０…光送信装置、５０…光伝送媒体、６０…光受信装置

Claims (12)

1. 発光素子と、
   前記発光素子と同じパッケージ内に収納され、当該発光素子の特性データを格納する不揮発性メモリと
   を具備することを特徴とする発光素子モジュール。
2. 前記不揮発性メモリに電源を供給する電源端子と、前記不揮発性メモリにデータ信号を供給するデータ端子と、前記不揮発性メモリにクロック信号を供給するクロック端子とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子モジュール。
3. 前記不揮発性メモリに電源を供給する電源端子と、前記不揮発性メモリにデータ信号およびクロック信号を供給するデータ・クロック端子とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子モジュール。
4. 前記不揮発性メモリに電源を供給する電源端子を有し、前記不揮発性メモリに前記電源端子を通してデータ信号およびクロック信号を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子モジュール。
5. 前記不揮発性メモリにＲＦアクセスによって電源、データ信号およびクロック信号を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子モジュール。
6. 前記不揮発性メモリに電源を供給する電源端子を有するとともに、前記不揮発性メモリにＲＦアクセスによってデータ信号およびクロック信号を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子モジュール。
7. 前記発光素子が複数であり、これら複数の発光素子の特性データを個別に前記不揮発性メモリに格納する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子モジュール。
8. 前記発光素子が発する光を外部の光伝送媒体に光学的に結合する光学系を有し、前記発光素子および前記光学系の特性データを前記不揮発性メモリに格納する
   ことを特徴とする請求項１記載の発光素子モジュール。
9. 発光素子と、前記発光素子と同じパッケージに収納され、当該発光素子の特性データを格納する不揮発性メモリとを有する発光素子モジュールと、
   入力信号に応じて前記発光素子に変調電流を流す変調手段と、
   前記不揮発性メモリに格納されている前記特性データに基づいて前記発光素子の駆動条件を設定する駆動条件設定手段と
   を具備することを特徴とする電気／光変換装置。
10. 前記駆動条件設定手段は、前記不揮発性メモリから前記特性データを起動時に読み込んで前記発光素子の駆動条件を設定する
    ことを特徴とする請求項９記載の電気／光変換装置。
11. 前記駆動条件設定手段は、前記発光素子の温度を検出し、この検出した温度を基に前記特性データから前記発光素子の最適な動作点を設定する
    ことを特徴とする請求項９記載の電気／光変換装置。
12. 入力信号に応じた光信号を出力する電気／光変換装置を有する光送信装置であって、
    前記電気／光変換装置は、
    発光素子と、前記発光素子と同じパッケージ内に収納され、当該発光素子の特性データを格納する不揮発性メモリとを有する発光素子モジュールと、
    入力信号に応じて前記発光素子に変調電流を流すとともに、前記不揮発性メモリに格納されている前記特性データに基づいて前記発光素子の駆動条件を設定する発光素子駆動手段とを具備する
    ことを特徴とする光送信装置。
    

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