JP2009253065A - 光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】シングルループＡＰＣ方式であって、かつ、長期使用によるＬＤの劣化に対し、光出力と発光効率に対する信頼性を保証することが可能な光送信モジュールを提供する。
【解決手段】光信号を出力するレーザダイオード（ＬＤ）１と、ＬＤの光出力をモニタするフォトダイオード（ＰＤ）２と、ＬＤ１の光出力を一定にするバイアス電流制御手段と、ＬＤの温度をモニタする温度センサ３と、温度センサの温度信号に応じてＬＤの変調電流ＩMを制御する変調電流制御手段を備える。ＬＤの周囲温度に対応するバイアス電流初期設定値Ｉbiniを格納した第１のテーブル６を参照してバイアス電流初期設定値を読み出し、バイアス電流値Idとバイアス電流初期設定値の差Δに対応する変調電流補正値αを格納した第２のテーブル７を参照して、変調電流補正値を読み出し変調電流を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光データリンク等に用いられ、レーザダイオードによる光信号を送信する光送信モジュールに関する。

従来、光送信モジュールから出力される光信号の強度および消光比を、適正な値で安定に制御するための種々の提案がなされている。図３は、従来のレーザダイオードの駆動制御の一例を示す模式図である。この例は、レーザダイオード（ＬＤ）１の光出力をフォトダイオード（ＰＤ）２によりモニタし、このＰＤモニタ値と基準値（ＩＢ ＤＡＣ）とをコンパレータ５ａで比較し、その出力をコンパレータ５ｂを介して、ＬＤ１バイアス電流を調整するトランジスタＴｒ_４にフィードバックさせている。このＰＤモニタによるフィードバック制御は、自動パワー制御（ＡＰＣ：Automatic Power-Control）と呼ばれ、ＬＤ１の発信を制御するバイアス電流（Ｉｂ）を調整し、ＬＤ１の光出力を一定に維持している。

また、光信号用の信号電流（変調電流Ｉｍ）は、トランジスタ対（Ｔｒ_１，Ｔｒ_２）で構成された差動型の電流切り替えスイッチを用いて供給され、トランジスタＴｒ_３により変調電流Ｉｍのレベルが制御される。この変調電流Ｉｍは、上記のＡＰＣとは独立したフィードフォワード制御により制御される。変調電流Ｉｍは、温度依存性を有しているが、光信号の通信品質を示す消光比を設定するもので、安定した一定値以上の値が求められる。このため、ＬＤ周囲温度に対する変調電流Ｉｍの適正値を設定した変調電流テーブル４（例えば、ＲＯＭで形成）を、製造時に予め取得しておく。そして、ＬＤ周囲温度が変化する場合は、温度センサ３からの温度信号により、常に一定の消光比が得られるように変調電流値（Ｉｍ ＤＡＣ）を抽出して、変調電流Ｉｍを制御するようにしている。

なお、上記のような制御方式（以下、シングルループＡＰＣ方式と呼ぶ）と同じＡＰＣ方式であるが、例えば、特許文献１には、変調電流がバイアス電流に対して、決まった値をもつテーブル持たせる方法が開示されている。このテーブル（ＲＯＭ）は、製造時にＬＤ周囲の温度を変化させて、消光比を一定に保つためのバイアス電流に対応する変調電流の最適な関係を取得しておく。これにより、バイアス電流が決まれば変調電流が一意的に決まるので、メモリ容量が削減できるとされている。

また、デュアルループＡＰＣ方式として、例えば、特許文献２，３には、モニタＰＤ信号がバイアスで電流と変調電流の両方にフィードバックさせて、光出力と消光比の両方を制御する方法が開示されている。さらに、特許文献３には、変調電流は、ＬＤ周囲温度に対応した設定値のテーブルを有し、周囲温度が変化しても消光比を一定に保つことも開示されている。
特開２００７−２９４６８２号公報 特開２００３−２１８４６０号公報 米国特許第５８１２５７２号明細書

光送信モジュールのＬＤは、長期の使用によってしきい値電流や発光効率が劣化する。このため、製造時点で適正であった記憶データが、ＬＤに劣化によって不適当となることがある。例えば、長期の使用によって、図４（Ａ）に示すように、発光効率の劣化は少ないが、しきい値電流が劣化するケースＡ、図４（Ｂ）に示すように、しきい値電流の劣化はないが、発光効率が劣化するケースＢ、図４（Ｃ）に示すように、しきい値電流も発光効率も低下するケースＣが想定される。しかし、ＬＤの劣化のケースとしては、ケースＡのようにしきい値電流のみが劣化、ケースＢの発光効率のみが劣化というのは稀で、実際上はケースＣの場合が多い。

図３で説明したようなシングルループＡＰＣ方式は、回路構成が比較的に簡素であるため小型化が期待できる。しかし、光出力は一定に保つことはできるとしても、発光効率の劣化には対応することが難しい。すなわち、ケースＡには対応できるが、ケースＢ，Ｃへの対応はできない。通常、光トランシーバでは、消光比の下限仕様（９ｄＢ）が要求されているが、これを下回る恐れがある。

特許文献１の例では、ケースＡとケースＢに対しては対応不可である。ただ、デバイス電流と変調電流との関係を示すテーブルを備えているので、周囲温度が変動したときのしきい値電流と発光効率の関係が、レーザダイオードの経時劣化が同じ傾向であれば、ケースＣに対しては対応できる可能性はある。しかし、実際は、レーザダイオードの劣化の進行状態は多様であり、周囲温度による特性変動と長期使用による特性変動が同じになる可能性は極めて低い。

また、特許文献２，３によるデュアルループＡＰＣ方式によれば、上記のケースＡ，Ｂ，Ｃの全てに対して対応が可能と考えられる。しかしながら、このデュアルループＡＰＣ方式は、シングルループＡＰＣ方式と比べて、制御回路が複雑で回路面積を大きくとる。このため、光トランシーバの小型化を妨げ、コスト高となるなどの問題がある。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、シングルループＡＰＣ方式であって、なおかつ、長期使用によるＬＤの劣化に対し、光出力と発光効率に対する信頼性を保証することが可能な光送信モジュールの提供を目的とする。

本発明による光送信モジュールは、光信号を出力するレーザダイオード（ＬＤ）と、該ＬＤの光信号を受光して光出力をモニタするフォトダイオード（ＰＤ）と、該ＰＤのモニタ値によりＬＤの光出力を一定にするバイアス電流制御手段と、ＬＤの周囲温度をモニタする温度センサと、該温度センサの温度信号に応じてＬＤの変調電流を制御する変調電流制御手段を備える。そして、前記のＬＤの周囲温度に対応するバイアス電流初期設定値を格納した第１のテーブルと、バイアス電流値とバイアス電流初期設定値の差に応じた変調電流補正値を格納した第２のテーブルとを有する。
上記の変調電流制御手段は、温度センサで検出された温度に基づいて、第１のテーブルを参照してバイアス電流初期設定値を読み出し、バイアス電流制御手段からのバイアス電流値との差を算出して第２のテーブルを参照して変調電流補正値を読み出し、該変調電流補正値により変調電流を補正する。

上記の本発明の光送信モジュールによれば、シングルループＡＰＣ方式による比較的に簡素なＬＤの駆動制御にもかかわらず、ＬＤの劣化に対して、光出力を一定に維持し、また、所定の消光比を維持して発光効率の低下を防止し、長期使用に対する信頼性を保証することが可能となる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の概略を説明する模式図、図２は本発明におけるＬＤの動作特性を説明するための図である。図中、１はレーザダイオード（ＬＤ）、２はフォトダイオード（ＰＤ）、３は温度センサ、４は変調電流テーブル、５ａ，５ｂはコンパレータ、６は第１のテーブル、７は第２のテーブル、８は変調電流制御部、９は減算器、１０は加算器、１１はＬＤ劣化判定部を示す。

本発明による光送信モジュールは、図１に示すように、レーザダイオード（ＬＤ）１の光出力をフォトダイオード（ＰＤ）２によりモニタし、このＰＤモニタ値と基準値（ＩＢ ＤＡＣ）とをコンパレータ５ａで比較し、その出力をコンパレータ５ｂを介して、ＬＤ１のバイアス電流を調整するトランジスタＴｒ_４にフィードバックさせるバイアス電流調整手段を備えている。すなわち、ＰＤモニタ値をバイアス電流回路にフィードバックさせることにより、ＬＤ１を駆動するためのバイアス電流（Ｉｂ）を調整し、ＬＤ１の光出力が一定に維持されるようにＡＰＣによる制御を行っている。

また、光信号用のパルス信号Ｓは、例えば、トランジスタ対（Ｔｒ_１とＴｒ_２）で構成された差動型の電流切り替えスイッチを用いて変調電流をオン・オフすることにより供給され、トランジスタＴｒ_３により変調電流Ｉｍのレベルが調整される。この変調電流Ｉｍは、上記の制御とは独立したフィードフォワード制御を行う変調電流制御手段を備えている。変調電流制御手段は、ＬＤ１の温度依存性に対応するために、ＬＤ周囲温度に対して適正な変調電流Ｉｍを設定するための変調電流テーブル４を備えている。

この変調電流テーブル４は、図３でも説明したように、光送信モジュールの製造時にＬＤの周囲温度に応じて最適の消光比が得られる変調電流Ｉｍを設定しておき、これをＲＯＭ等に記憶させておくことにより形成される。そして、ＬＤ周囲温度が変化した場合は、温度センサ３からの温度信号により、最適な消光比が得られる変調電流値を読み出し、これをＤ／Ａ変換してトランジスタＴｒ_３のベースに付与することにより変調電流Ｉｍを調整する。

本発明においては、変調電流制御手段は、上記の変調電流テーブル４に加えて、第１のテーブル６と第２のテーブル７を備えると共に、これらのテーブルからのデータを演算処理するための減算器９、加算器１０を有する変調電流制御部８で構成される。
第１のテーブル６は、ＬＤ１が劣化する前の初期時のバイアス電流初期設定値（Ｉｂini）とＬＤ周囲温度との関係を示すデータが格納されたテーブルである。この第１のテーブル６は、上記のテーブル４と同様に、ＬＤ周囲温度に応じてＬＤ発振のしきい値電流が変化することから、モジュール製造時に、これに対応させて最適のバイアス電流値を設定し、ＲＯＭ等に記憶させておくことにより形成される。

第２のテーブル７は、ＬＤ１のバイアス電流回路を流れるバイアス電流Ｉｂと上記のバイアス電流初期設定値との差を示すΔ値（Ｉｂ−Ｉｂini）に対する変調電流補正値αの関係を示すデータが格納されたテーブルである。このΔ値は、光送信モジュールの製造初期以降の使用によるＬＤ１の劣化状態を示す目安となるもので、小さければ劣化が少なく、大きければ劣化が進んでいるとすることができる。

この第２のテーブル７を取得する詳細については後述するが、図２を用いてＬＤ１の駆動制御について説明する。図２は、ＬＤ１に直接流れるＬＤ駆動電流（Ｉｄ）と光出力との関係を示す図で、横軸にＬＤ駆動電流、縦軸に光出力が目盛られる。ＬＤ１が劣化していない状態（初期時特性Ａ）では、ＬＤ１のしきい値電流Ｉthは小さく、発光効率を示す傾斜は比較的に急峻である。しかし、ＬＤ１の長期の使用等により劣化した状態（劣化後特性Ｂ）では、しきい値電流Ｉthは大きくなり、ＬＤ駆動電流は、全体的に増大側（図２の右方向）に移動するとともに、発光効率を示す傾斜は緩やか（低下する）になる。

ＬＤ１が劣化していない状態の場合は、図２の初期時特性Ａに基づいて動作し、初期時のバイアス電流初期設定値（Ｉｂini）と、これに変調電流Ｉｍが重畳されたＬＤ駆動電流Ｉｄが供給されて、ＬＤ１が駆動される。バイアス電流初期設定値（Ｉｂini）は、通常、しきい値電流より多少大きい値で設定される。なお、このときのバイアス電流初期設定値（Ｉｂini）は、温度センサ３によりＬＤ周囲温度が検出され、第１のテーブル６を参照して設定することができる。また、変調電流Ｉｍは、変調電流テーブル４で同じＬＤ周囲温度でのデータ値を用いて設定することができる。
このときのＬＤ１の最大光出力はＰ_１’、最小光出力はＰ_０’で、消光比ＥＲ＝Ｐ_１’／Ｐ_０’である。また、ＬＤ１の平均光出力Ｐｆは、（Ｐ_１’＋Ｐ_０’）／２となる。

ＬＤ１が長期の使用で劣化した場合は、図２の劣化後特性Ｂに基づいて動作する。ＬＤ１の駆動中は、ＰＤモニタによるＡＰＣで所定の光出力Ｐｆとなるようなバイアス電流Ｉｂがバイアス電流回路を流れ、これに変調電流Ｉｍが重畳されたＬＤ駆動電流Ｉｄが供給されて、ＬＤ１が駆動される。このときのバイアス電流Ｉｂは、通常、ＬＤ１の劣化によるしきい値電流Ｉthよりは、多少大きい値で設定される。

この場合の変調電流Ｉｍは、通常は、図３に示したような変調電流テーブル４で周囲温度に対応した値とされるか、あるいは、特許文献１に開示されたように、バイアス電流に対応した値に設定される。このため、変調電流Ｉｍが不十分でもＡＰＣによりバイアス電流Ｉｄが増加するので、平均光出力Ｐｆは（Ｐ_１＋Ｐ_０）／２は一定に維持することができる。しかし、このときの最大光出力Ｐ_１は低下し、最低光出力Ｐ_０は増加して、消光比Ｅｒ＝Ｐ_１／Ｐ_０は、初期時特性Ａのときの消光比ＥＲより小さくなる。すなわち、（ＥＲ−Ｅｒ）がＬＤの発光効率の劣化分となる。

図２に示すように、LD１の経時劣化等で劣化後特性Ｂとなった場合においても、初期時特性Ａのときの消光比ＥＲを得るのに必要な変調電流ＩＭは、所定の変調電流Ｉｍにさらにα分を増加させた（Ｉｍ＋α）とする必要がある。本発明においては、図１に示すように、このα分を変調電流補正値として、ＬＤの劣化の状態に応じて補正するための第２のテーブル７を備えている。

次に、この第２のテーブル７を取得する方法について説明する。通常、予め対象となる光送信モジュールと同一設計のサンプル品で長期信頼性の試験が行われる。この試験を１０００時間程度で行うとすれば、中間の３３６時間経過時、５００時間経過時、６６７時間経過時と、これに初期と最終時の試験を加えて、少なくとも合計５回の測定を行うようにする。この５回の測定では、ＬＤの周囲温度を一定として、所定の光出力Ｐｆを得るときのバイアス電流Ｉｄ、変調電流Ｉｍ、しきい値電流Ｉth、消光比Ｅｒ等のデータを取得しておく。なお、最初の初期時測定では、ＬＤの劣化前の初期時特性Ａを示し、バイアス電流が（Ｉｂini）で、消光比が（ＥＲ）となる。

ここで、先に述べたように、ＬＤの初期時は、
平均出力Ｐｆ＝（Ｐ_１’＋Ｐ_０’）／２ 消光比ＥＲ＝Ｐ_１’／Ｐ_０’
であるので、この２式から、
Ｐ_０’＝（２Ｐｆ）／（１＋ＥＲ） Ｐ_１’＝（２Ｐｆ×ＥＲ）／（１＋ＥＲ）
が求められる。
また、ＬＤの劣化状態を模擬した各試験時間経過後は、上記と同様に、
平均出力Ｐｆ＝（Ｐ_１＋Ｐ_０）／２ 消光比Ｅｒ＝Ｐ_１／Ｐ_０
であるので、この２式から、
Ｐ_０＝（２Ｐｆ）／（１＋Ｅｒ） Ｐ_１＝（２Ｐｆ×Ｅｒ）／（１＋Ｅｒ）
が求められる。

ここで、初期時の消光比ＥＲをＬＤの劣化後においても維持することを目標とした場合、劣化状態のＬＤに必要な変調電流ＩＭは、ＬＤの発光効率を（ＳＥ）とすると、
ＩＭ＝（Ｐ_１’−Ｐ_０’）／ＳＥ
で表すことができる。一方、ＬＤの発光効率ＳＥは図２から、
ＳＥ＝Ｐ_０ ／（Ｉｂ−Ｉth ）で表すことができる。

ＬＤの劣化後のバイアス電流値Ｉｂと初期時のバイアス電流初期設定値Ｉｂiniとの差を、Δ（＝Ｉｂ−Ｉｂini ）とする。ＬＤのバイアス電流Ｉｂは、ＬＤの劣化によって確実に増加することから、初期時のバイアス電流初期設定値Ｉｂiniとの差Δが小さければ劣化が少なく、大きければ劣化が進んでいるとの目安にすることができる。一方、このΔ値が増加するのに応じて、消光比の劣化を補償するために変調電流のα分が増加する。このα分は、α（＝ＩＭ−Ｉｍ ）であるから、上記の算出例によりＩＭを容易に求めることができる。

したがって、上記した少なくとも５回の長期信頼性試験の各測定時に、所定の光出力Ｐｆを得るときのバイアス電流Ｉｄ、変調電流Ｉｍ、しきい値電流Ｉth、消光比Ｅｒのデータを取得し、それぞれのΔ値とα値を算出して記憶させておくことにより、図１に示した第２のテーブル７を取得することができる。

上述のように構成された光送信モジュールにおいて、搭載されたＬＤ１に経時劣化がある程度生じているとする。そして、このＬＤ１に所定のバイアス電流Ｉｂが供給され、変調電流ＩＭが供給可能な状態とされ、次いで、送信信号Ｓがトランジスタ対Ｔｒ_１とＴｒ_２で構成された差動型の電流切り替えスイッチを介して入力されたとする。これにより、ＬＤ１は駆動電流Ｉｄ（＝Ｉｂ＋ＩM ）により駆動され、光出力Ｐｆが出力される。この光出力Ｐｆは、ＰＤ２によりモニタされ、このＰＤモニタ値はＤ／Ａ変換された基準値（ＩＢ ＤＡＣ）とコンパレータ５ａで比較され、その出力は次段のコンパレータ５ｂを介してトランジスタＴｒ_４からなるバイアス電流回路にフィードバックされる。これにより、ＬＤの駆動電流Ｉｄは所定の一定値となるように制御される。

他方、温度センサ３によりＬＤ１の周囲温度が検出され、Ａ／Ｄ変換された温度信号（Ｔｘ ＡＤＣ）の入力で、第１のテーブル６を参照してＬＤ１が劣化していない初期時の当該温度におけるバイアス電流初期設定値Ｉｂiniが読み出される。そして、駆動中のバイアス電流回路からＡ／Ｄ変換されたバイアス電流値Ｉｂ（Ｉｂ ＡＤＣ）が抽出され、前記のバイアス電流初期設定値Ｉｂiniを減算器９で引算したΔ値を入力することで、第２のテーブル７が参照される。これにより、Δ（＝Ｉｂ−Ｉｂini）に対応するα値が読み出される。

また、温度センサ３による温度信号で、温度と変調電流の関係を記憶した変調電流テーブル４により、変調電流Ｉｍが読み出される。次いで、この変調電流Ｉｍに第２のテーブル７から読み出された変調電流補正値αを加算器１０で加算し、補正された変調電流ＩＭ（＝Ｉｍ＋α）のＤ／Ａ変換された信号（IＭ ＤＡＣ）を変調回路のトランジスタＴｒ３に入力して、変調電流ＩＭが生じるように制御される。変調電流ＩＭが供給されることにより、図２で説明したように、ＬＤ１の初期時の消光比ＥＲを確保することができる。

したがって、シングルループＡＰＣ方式による簡便な回路構成で、ＰＤ２のモニタでＬＤ１の光出力を一定に維持するとともに、第１のテーブル６と第２のテーブル７により、ＬＤ１の劣化により不足する変調電流を補償して、発光効率の劣化を補償し、安定した信頼性のある光送信モジュールとすることができる。

また、ＬＤの劣化が進み、所定値を超える劣化に対しては、ＬＤがブレークダウンする前に交換する必要がある。このため、ＬＤ劣化判定部１１を設けておき、劣化度のレベル等を表示またはアラームを発するようにすることが好ましい。ＬＤの劣化判定には、常時、検出可能なバイアス電流Ｉｂとデータとして第１のテーブル６に格納されている劣化前の初期時のバイアス電流初期設定値Ｉｂiniの差、すなわち、上記のΔ値である（Ｉｂ−Ｉｂini）を用いることができる。

ＬＤのバイアス電流Ｉｂは、ＬＤの劣化によって確実の増加することから、このバイアス電流の増加の状態を見ることにより劣化の進み状態を把握することができる。したがって、この初期時のバイアス電流との差であるΔ値が所定値以上になったら、交換を促すアラームを発するようにすればよい。また、上記のΔ値をＬＤの劣化度の判定に用いれば、他に特別な検出センサを用いることなく、簡易に実現することができる。

本発明の概略を説明する模式図である。 本発明におけるＬＤの動作特性を説明するための図である。 従来の技術を説明する図である。 従来の課題を説明する図である。

符号の説明

１…レーザダイオード（ＬＤ）、２…フォトダイオード（ＰＤ）、３…温度センサ、４…変調電流テーブル、５ａ，５ｂ…コンパレータ、６…第１のテーブル、７…第２のテーブル、８…変調電流制御部、９…減算器、１０…加算器、１１…ＬＤ劣化判定部。

Claims (2)

1. 光信号を出力するレーザダイオードと、該レーザダイオードの光信号を受光して光出力をモニタするフォトダイオードと、該フォトダイオードのモニタ値により前記レーザダイオードの光出力を一定にするバイアス電流制御手段と、前記レーザダイオードの周囲温度をモニタする温度センサと、該温度センサの温度信号に応じて前記レーザダイオードの変調電流を制御する変調電流制御手段を備える光送信モジュールであって、
   前記レーザダイオードの周囲温度に対応するバイアス電流初期設定値を格納した第１のテーブルと、バイアス電流値と前記バイアス電流初期設定値の差に応じた変調電流補正値を格納した第２のテーブルとを有し、
   前記変調電流制御手段は、前記温度センサで検出された温度に基づいて、前記第１のテーブルを参照してバイアス電流初期設定値を読み出し、前記バイアス電流制御手段からのバイアス電流値との差を算出して前記第２のテーブルを参照して変調電流補正値を読み出し、該変調電流補正値により変調電流を補正することを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記バイアス電流値と前記バイアス電流初期設定値の差が、所定値以上になったことを検出して劣化を判定する劣化判定部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。

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