JP2006302967A

JP2006302967A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2006302967A
Application number: JP2005118727A
Authority: JP
Inventors: Takamoto Yonemura; 隆元米村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】光モジュールの周囲の温度をより正確に測定可能な光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュール１は、半導体レーザ素子２２と温度センサ７１Ａとを筐体１０内に有する光モジュール１であって、温度センサ７１Ａの測定結果に応じて電力を消費することによって、筐体１０内で消費される消費電力を所定の消費電力に調整する電力消費回路７０を備える。この構成では、光モジュール１での消費電力は、周囲温度によらず所定の消費電力になるように調整される。その結果、光モジュール内の内部温度と周囲温度との差が周囲温度に依存しないため、光モジュールの内部温度から光モジュールの周囲温度を算出でき、その結果として、光モジュールを周囲温度を測定するための温度測定手段として利用できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、温度センサを内蔵した光モジュールに関するものである。

光モジュール内の半導体レーザ素子は、適切な温度環境下で動作させる必要がある。そこで、例えば、特許文献１に記載の光モジュールでは、半導体レーザ素子の近傍に温度計測手段（温度センサ）を設けている。そして、その検出結果に応じてペルチェ素子を制御することで半導体レーザ素子の温度を適切な温度環境下に保ち、光モジュールの動作を保証している。また、近年では、光モジュールの動作状態を監視するために、光モジュール内の内部温度を測定するための温度センサを光モジュールに内蔵しているものものある。
特開平７−１４７４６０号公報

ところで、前述したように光モジュール内には温度センサが内蔵されているので、光モジュール内の温度センサの測定結果である内部温度Ｔ_ｊと光モジュールの外側の温度（以下、「周囲温度」とも称す）Ｔ_ａとの温度差ΔＴが周囲温度Ｔ_ａに対して一定であれば、光モジュール自体を光モジュールの周囲温度を測定する温度測定手段として利用することが考えられる。しかしながら、従来の光モジュールでは以下のような問題点があった。

図６（ａ）は、従来の光モジュールの周囲温度Ｔ_ａと温度差ΔＴとの関係を示すグラフである。図６（ｂ）は、図６の測定結果を得たときに取得された周囲温度Ｔ_ａと、光モジュールが有する種々の電気回路に流れる電流との関係を示すグラフである。以下では、光モジュール内を流れる電流を消費電流とも称す。図６（ａ），（ｂ）において、横軸は周囲温度Ｔ_ａ[℃]を示している。また、図６（ａ）の縦軸は温度差ΔＴ[℃]を示しており、図６（ｂ）の縦軸は消費電流（ｍＡ）を示している。図６中に示す複数のグラフは、光モジュールの周囲の風速を変えた結果を示している。

図６（ｂ）に示すように、周囲温度Ｔ_ａが高くなるにつれて光モジュールの消費電流は増加している。これは半導体レーザ素子が温度特性を有しているため、周囲温度が高くなるにつれ同じ発光強度を得るための駆動電流が大きくなるからである。そのため、周囲温度Ｔ_ａが高くなるにつれてモジュールの消費電力は増大し、結果、内部温度の上昇率がおおきくなって温度差ΔＴは大きくなる、という問題点があった。

そこで、本発明は、光モジュールの周囲の温度をより正確に測定可能な光モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る光モジュールは、半導体レーザ素子と温度センサとを筐体内に有する光モジュールであって、温度センサの測定結果に応じて電力を消費することによって、筐体内で消費される消費電力を所定の消費電力に調整する電力消費回路を備えることを特徴とする。

この構成では、温度センサの測定結果に応じて電力消費回路によって電力を消費することによって、筐体内における消費電力を所定の値にすることが可能である。そして、光モジュールの内部の温度と光モジュールの周囲の温度との温度差は光モジュールでの消費電力に依存するので、消費電力を所定の値にすることによって内部温度と周囲温度との温度差が周囲温度に依存しないことになる。その結果、温度センサの測定結果から光モジュールの周囲の温度を算出できる。

また、本発明に係る光モジュールの電力消費回路は、抵抗器と、温度センサを含み温度センサの測定結果に応じて電圧を出力する電圧出力部と、電圧出力部から出力される電圧を抵抗器に印加する電圧印加部と、を備え、電圧出力部は、記憶部を更に有しており、記憶部には、筐体内で消費される消費電力を所定の消費電力にするための電圧と筐体内の温度との予め算出された温度電圧特性が記録されており、電圧出力部は、温度センサの測定結果に応じて温度電圧特性によって決まる電圧を出力することが好適である。

この構成では、電圧出力部から出力された電圧は、電圧印加部によって抵抗器に印加され、その結果、抵抗器に電流が流れて電力消費回路で電力が消費される。電圧出力部から出力される電圧を決めるための温度電圧特性は、光モジュールでの消費電力を所定の消費電力にするために抵抗器に印加する電圧と筐体内の内部温度との関係を示しており、予め算出されたものである。そのため、上記のように、電圧出力部から出力された電圧を電圧印加部によって抵抗器に印加することで、光モジュール内の消費電力をより確実に所定の消費電力に調整することが可能である。

本発明の光モジュールによれば、低温時に抵抗器の消費電力を増加させることでモジュールの内部温度が高く維持されるので低温安定動作範囲の拡張が可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る光モジュールの好適な実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る光モジュールの一実施形態を示す斜視図である。図２は、図１に示した光モジュールの分解斜視図である。また、図３は、図１に示した光モジュールの内部構造を示す斜視図である。

図１〜図３に示すように、光モジュール１は、筐体１０内に固定された発光モジュール２０と、受光モジュール３０と、回路基板４０とを有しており、例えば、光通信機器内に設置されて光通信におけるデータリンクとして利用される。この光モジュール１は、略直方体形状を有しており、容積が約１．５×１０^―５ｍ^３以下と小型化が図られている。光モジュール１の大きさは、例えば、長さＬが約７５ｍｍ、幅Ｗが約１５ｍｍ、高さＴが約１０ｍｍ等が例示される。

図３に示すように、発光モジュール２０は、ハウジング２１内に固定された半導体レーザ素子（ＬＤ）２２と、光学系２３とを有しており、ＬＤ２２は、電気信号を受けてそれに応じた光信号を出力する。レンズなどからなる光学系２３は、ＬＤ２２から出力された光信号を、ハウジング２１の一部を構成するスリーブ２１ａ内に設けられた光ファイバに光学的に結合させる。

また、受光モジュール３０は、ハウジング３１内に固定されたフォトダイオード（ＰＤ）３２と、光学系３３とを有しており、レンズなどからなる光学系３３は、ハウジング３１の一部を構成するスリーブ３１ａ内に設けられた光ファイバが光信号を受けると、その光信号をＰＤ３２に入射させる。ＰＤ３２は、入射された光信号をそれに応じた電気信号に変換する。

回路基板４０には、駆動ドライバ５０や、受光後段アンプ６０、電力消費回路７０等の光モジュール１を動作させるための種々の電気回路が設けられている。図２及び図３では、回路基板４０上の種々の電気回路は簡略化して模式的に表している。また、回路基板４０には、光モジュール１の外部との間で電気信号を送受信したり、電源の供給を受けたりするための電気コネクタも設けられている。

駆動ドライバ５０は、回路基板４０を介してＬＤ２２と電気的に接続されており、ＬＤ２２に駆動電流を供給してＬＤ２２を駆動する。また、駆動ドライバ５０は、光モジュール１の外部からのデータ信号（電気信号）を受けて変調電流を生成し、ＬＤ２２に供給する。これにより、ＬＤ２２はデータ信号に応じた光信号を生成し、生成された光信号は、スリーブ２１ａ内の光ファイバを介して光モジュール１の外部に出力される。

また、受光後段アンプ６０は、回路基板４０を介してＰＤ３２と電気的に接続されており、ＰＤ３２から出力された電気信号を増幅して、データ信号を生成する。電力消費回路７０は、光モジュール１において消費される全消費電力Ｐ_ｗを所定の消費電力に調整する。この電力消費回路７０については後述する。

図１及び図２に示すように、筐体１０は、搭載部材１１と、放熱部材１２と、カバー部材１３とを有しており、これらによって、発光モジュール２０、受光モジュール３０及び回路基板４０を収容する収容空間を形成する。

搭載部材１１は、例えば、樹脂などから形成されており、略Ｌ字状であって、外形が略四角形状のレセプタクル部１４と、板状のベース部１５とを有する。

レセプタクル部１４は、ベース部１５の端部に一体的に設けられており、レセプタクル部１４は、スリーブ２１ａを収容するレセプタクル１４ａと、スリーブ３１ａを収容するレセプタクル１４ｂとを有する。

レセプタクル１４ａは、光モジュール１の外部から図示しない光コネクタを受容し、その光コネクタ内の光ファイバとスリーブ２１ａ内の光ファイバとが光学的に結合できるように形成されている。また、レセプタクル１４ｂは、光モジュールの外部から図示しない光コネクタを受容し、その光コネクタ内の光ファイバとスリーブ３１ａ内の光ファイバとが光学的に結合できるように形成されている。

ベース部１５には、レセプタクル１４ａ，１４ｂにスリーブ２１ａ，３１ｂが収容された発光モジュール２０及び受光モジュール３０が搭載されている。またベース部１５上には、発光モジュール２０及び受光モジュール３０が電気的に接続された回路基板４０が搭載されている。回路基板４０とベース部１５との間には、回路基板４０上の電気回路などで発生する熱を放熱するための放熱シート（不図示）が設けられている。

放熱部材１２は、例えば、金属製であって、一対の側面部１６，１６と、側面部１６，１６を連結する上面部１７とを有する。この放熱部材１２は、側面部１６，１６が回路基板４０を挟み込むようにベース部１５上に設けられる。これにより、発光モジュール２０、受光モジュール３０及び回路基板４０が放熱部材１２によって覆われることになる。

駆動ドライバ５０や受光後段アンプ６０や受光モジュール３０などは光モジュール１の動作時に主な発熱源となるので、上面部１７には、駆動ドライバ５０や受光後段アンプ６０などから発生する熱を放熱するための開口１７ａ，１７ａが形成されている。また、上面部１７の下面（ベース部１５側の面）には、放熱を促進するために放熱シートＳが貼付されている。放熱シートＳは、回路基板４０とベース部１５との間に設けられたものと同じものである。

カバー部材１３は、例えば、ステンレスから形成されており、一対の側面部１８，１８と、側面部１８，１８を連結する上面部１９とを有している。カバー部材１３は、側面部１８，１８がベース部１５を挟み込み、上面部１９が放熱部材１２の上面部１７に被さるように、放熱部材１２に嵌め合されている。これにより、搭載部材１１、放熱部材１２及びカバー部材１３によって形成される収容空間内に発光モジュール２０、受光モジュール３０及び回路基板４０が収容されることになる。

このように発光モジュール２０、回路基板４０等を収容した筐体１０内の温度（以下、「内部温度」と称す）Ｔ_ｊと筐体１０の周囲の温度（以下、「周囲温度」と称す）Ｔ_ａとの温度差ΔＴが周囲温度Ｔ_ａに依存しなければ、内部温度Ｔ_ｊから周囲温度Ｔ_ａを知ることが可能である。

図１〜図３に示した光モジュール１では、回路基板４０に設けられた電力消費回路７０によって光モジュール１で消費される全消費電力Ｐ_ｗを所定の消費電力に調整することによって、温度差ΔＴが周囲温度Ｔ_ａに依存しないようになっている。

先ず、この電力消費回路７０を設けることで周囲温度Ｔ_ａに依存しない温度差ΔＴを実現できる理由について説明する。図４は、光モジュール１の熱等価回路の構成を示す模式図である。

図４に示すように、筐体１０の温度をＴ_ｃとし、筐体１０の内側への放熱抵抗をＲ_ｉとし、筐体１０の外側への放熱抵抗をＲ_ａｉｒとする。

この場合、筐体１０の温度Ｔ_ｃと内部温度Ｔ_ｊとの温度差は、光モジュール１の全消費電力Ｐ_ｗと放熱抵抗Ｒ_ｉとに比例し、

のように表される。

また、筐体１０の温度Ｔ_ｃと周囲温度Ｔ_ａとの温度差は、全消費電力Ｐ_ｗと放熱抵抗Ｒ_ａｉｒとに比例し、

と表される。

ここで、放熱抵抗Ｒ_ｉは主に放熱部材１２に貼付された放熱シートＳ及び回路基板４０とベース部１５との間に設けられた放熱シートに依存しているので、定数とみなせる。また、放熱抵抗Ｒ_ａｉｒは、筐体１０の構造及び筐体１０の周囲の風速に依存する。筐体１０の構造は一定であり、風速はファンなどを利用することで一定にできるので、放熱抵抗Ｒ_ａｉｒは定数とみなせる。また、ファンなどを利用しない場合でも、通常、光モジュール１は、機器内などの閉じた空間内に設けられるため風速はほぼ一定であり放熱抵抗Ｒ_ａｉｒは定数とみなせる。

したがって、式（１）及び式（２）より、光モジュール１の内部温度Ｔ_ｊと周囲温度Ｔ_ａとの温度差ΔＴは、光モジュール１における全消費電力Ｐ_ｗに依存することになる。

ところで、ＬＤ２２は温度特性を有しているので、ＬＤ２２に供給される駆動電流は周囲温度Ｔ_ａに応じて変化することになる。この駆動電流の変化は、周囲温度Ｔ_ａが高くなるにつれて増加する。例えば、駆動電流は、周囲温度Ｔ_ａが低温（例えば、０℃）Ｔ_Ｌのとき２０ｍＡ程度であり、高温（例えば、８０℃）Ｔ_Ｈでは７０ｍＡ程度である。そのため、周囲温度Ｔ_ａが高くなるにつれてＬＤ２２で消費される電力は増加する。

そこで、低温Ｔ_Ｌや常温（例えば、２５℃）Ｔ_Ｎにおいて、電力消費回路７０を利用して電力をあえて消費することによって全消費電力Ｐ_ｗを高温Ｔ_Ｈのときの消費電力になるようにすれば、周囲温度Ｔ_ａに依存しない温度差ΔＴを実現できることになる。

この電力消費回路７０の構成について詳細に説明する。

図５に示すように、電力消費回路７０は、電圧出力部７１と、電圧印加部７２と、抵抗器７３とを有しており、電圧出力部７１から出力された出力電圧Ｖ_ｄを電圧印加部７２が抵抗器７３に印加することによって電力を消費するものである。

電圧印加部７２は、非反転増幅器としてのオペアンプ７４と、トランジスタ７５とを有している。オペアンプ７４の非反転入力端子は、電圧出力部７１と電気的に接続されており電圧出力部７１から出力された出力電圧Ｖ_ｄが入力される。また、オペアンプ７４の反転入力端子は、抵抗器７３のトランジスタ７５側の一端に接続されており、オペアンプ７４の出力端子は、トランジスタ７５のベース端子に接続されている。

このトランジスタ７５のコレクタ端子は、回路基板４０に設けられているバイアス電源ラインに接続されており、これによってコレクタ端子には電圧Ｖ_１が印加されることになる。また、トランジスタ７５のエミッタ端子は抵抗器７３の一端に接続されている。

抵抗器７３の他端（トランジスタ７５と反対側の端）は、回路基板４０に設けられていると共に電圧がＧＮＤレベルに設定された接地ラインに接続されている。抵抗器７３の抵抗値Ｒ_ｒは、例えば、７．５Ωである。

上記構成では、電圧印加部７２はボルテージフォロアを構成しているので電圧出力部７１から出力された出力電圧Ｖ_ｄは、抵抗器７３に確実に印加される。そして、出力電圧Ｖ_ｄが印加されたときに抵抗器７３に流れる電流Ｉは、

と表され、電力消費回路７０で消費される消費電力Ｐ_ｗ１は、

となる。式（３）及び式（４）において、抵抗器７３の抵抗値Ｒ_ｒは定数であるので、消費電力Ｐ_ｗ１は、電圧出力部７１からの出力電圧Ｖ_ｄに依存することになる。

この出力電圧Ｖ_ｄを出力する電圧出力部７１は、図５に示すように、温度センサ７１Ａと記憶部７１Ｂと制御部７１Ｃとを有しており、例えば、温度センサ、記憶部等が内蔵されたＤＡＣ（Digital Analog Converter）が例示される。

温度センサ７１Ａとしては、例えば、接合Diodeの接合ポテンシャルを利用できる、すなわち、順方向電流の大きさを温度に対応させることができる。温度センサ７１Ａは、筐体１０内の温度（すなわち、光モジュール１の内部温度）を測定して制御部７１Ｃに入力する。記憶部７１Ｂは、例えばＲＯＭであり、光モジュール１の全消費電力Ｐ_ｗを所定の消費電力にする出力電圧Ｖ_ｄを温度センサ７１Ａの測定結果に応じて決定するための温度電圧特性が記録されている。この温度電圧特性は次のようにして算出されたものである。

先ず、電力消費回路７０での消費電力が最小になるように電圧出力部７１からの出力電圧を調整した状態で、光モジュール１での全消費電力Ｐ_ｗが最大となる周囲温度（例えば、８０℃）において光モジュール１で消費される電力を測定する。この全消費電力Ｐ_ｗが最大となる周囲温度を基準周囲温度Ｔ_Ｂと称し、基準周囲温度Ｔ_Ｂでの全消費電力Ｐ_ｗを基準消費電力Ｐ_Ｂと称す。

次に、基準周囲温度Ｔ_Ｂより低い複数のモニタ温度において光モジュール１における全消費電力Ｐ_ｗが所定の消費電力としての基準消費電力Ｐ_Ｂに一致するように電圧出力部７１の出力電圧を調整する。この際、各モニタ温度での温度センサ７１Ａの測定結果を取得しておく。

基準周囲温度Ｔ_Ｂ及び複数のモニタ温度での温度センサ７１Ａの測定結果に対して、基準周囲温度Ｔ_Ｂ及び複数のモニタ温度での電圧出力部７１の出力電圧をプロットする。そして、外挿法及び内挿法によってフィッティングカーブを算出することで、温度センサ７１Ａの測定結果（筐体１０の内部温度）と、全消費電力Ｐ_Ｗを基準消費電力Ｐ_Ｂにするための電圧出力部７１からの出力電圧との関係を示す温度電圧特性とする。このようにして予め算出された温度電圧特性が記憶部７１Ｂには記録されている。

制御部７１Ｃは、温度センサ７１Ａ及び記憶部７１Ｂに電気的に接続されており、温度センサ７１Ａの測定結果を受けると記憶部７１Ｂに記録されている温度電圧特性からその測定結果に対応する電圧値を決定して、アナログ信号に変換した後に出力電圧Ｖ_ｄとして出力する。

したがって、電圧出力部７１からは、電力調整回路７０が消費電力Ｐ_ｗ１を消費することによって全消費電力Ｐ_ｗが基準消費電力Ｐ_Ｂになるように決定された出力電圧Ｖ_ｄが確実に出力されることになる。

上記構成を有する電力消費回路７０の動作について説明する。光モジュール１の動作時において、電圧出力部７１に内蔵された温度センサ７１Ａが筐体１０の内部の温度を測定すると、電圧出力部７１は温度センサ７１Ａの測定結果と温度電圧特性に基づいた出力電圧Ｖ_ｄを出力する。

この出力電圧Ｖ_ｄは抵抗器７３に印加されるので、抵抗器７３に式（３）で示した電流が流れ、電力消費回路７０によって式（４）で示す消費電力Ｐ_ｗ１が消費される。出力電圧Ｖ_ｄは、電力消費回路７０による消費電力Ｐ_ｗ１の消費によって全消費電力Ｐ_ｗが基準消費電力Ｐ_Ｂになるように決定されていることから、光モジュール１内での全消費電力Ｐ_ｗは所定の消費電力としての基準消費電力Ｐ_Ｂになる。

そのため、温度センサ７１Ａの測定結果（すなわち、内部温度Ｔ_ｊ）と周囲温度Ｔ_ａとの差が周囲温度Ｔ_ａに依存せずにほぼ一定になるので、電圧出力部７１が有する温度センサ７１Ａの測定結果によって周囲温度Ｔ_ａをより正確に知ることができる。したがって、例えば、光モジュール１自体を周囲温度Ｔ_ａを測定する温度測定手段として利用することが可能である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、電圧出力部７１が温度センサ７１Ａを有するとしたが、温度センサ７１Ａは、電圧出力部７１の外部にあってもよく、また、光モジュール１は、発光モジュール２０及び受光モジュール３０を両方備えているとしたが、必ずしも受光モジュール３０は備えていなくてもよい。

本発明に係る光モジュールの一実施形態を示す斜視図である。図１に示した光モジュールの分解斜視図である。図１に示した光モジュールの内部構成を示す斜視図である。図１に示した光モジュールの熱等価回路を示す模式図である。電力消費回路の構成を示す回路図である。（ａ）は、従来の光モジュールの周囲温度と、周囲温度と内部温度との温度差との関係を示すグラフである。（ｂ）は、周囲温度と光モジュール内での消費電流との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…光モジュール、１０…筐体、２２…ＬＤ（半導体レーザ素子）、７０…電力消費回路、７１…電圧出力部、７１Ａ…温度センサ、７１Ｂ…記憶部、７２…電圧印加部、７３…抵抗器、Ｖ_ｄ…電圧出力部から出力される電圧。

Claims

半導体レーザ素子と温度センサとを筐体内に有する光モジュールであって、
前記温度センサの測定結果に応じて電力を消費することによって、前記筐体内で消費される消費電力を所定の消費電力に調整する電力消費回路を備えることを特徴とする光モジュール。
前記電力消費回路は、
抵抗器と、
前記温度センサを含み前記温度センサの測定結果に応じて電圧を出力する電圧出力部と、
前記電圧出力部から出力される電圧を前記抵抗器に印加する電圧印加部と、
を備え、
前記電圧出力部は、記憶部を更に有しており、
前記記憶部には、前記筐体内で消費される消費電力を前記所定の消費電力にするための電圧と前記筐体内の温度との予め算出された温度電圧特性が記録されており、
前記電圧出力部は、前記温度センサの測定結果に応じて前記温度電圧特性によって決まる電圧を出力することを特徴とする光モジュール。